[ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
“УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ-УПИ”
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА
Часть 2. Электромагнитные устройства
и электрические машины Методические указания по выполнению лабораторных работ на стенде «Электротехника и основы электроники»
Екатеринбург 2007 УДК При подготовке настоящих методических указаний использован паспорт НТЦ-01.00.00ПС и методические указания на стенд «Электротехника и основы электроники» предприятия НТП “Центр”, г. Могилев.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ УСТРОЙСТВА И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
МАШИНЫ : Методические указания к лабораторным работам по курсу “Электротехника и электроника” / Под общей ред. Д.Н. Томашевского. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007. 31 с.Настоящие методические указания содержат шесть лабораторных работ. По каждой лабораторной работе даны цель работы, описание объекта и средств исследования, основные теоретические соотношения, план выполнения работы.
Библиогр.: 5 назв. Рис. 11. Табл. 1.
Подготовлено кафедрой “Электротехника и электротехнологические системы” © ГОУ ВПО “Уральский государственный технический университет–УПИ”,
ПРЕДИСЛОВИЕ
Данные методические указания являются второй частью лабораторного практикума по курсу “Электротехника и электроника”. Общие рекомендации по выполнению лабораторных работ имеются в методических указаниях “Электрические цепи”. В настоящих методических указаниях воспроизводится таблица спецификации приборов (табл. 1) и правила оформления графиков.Таблица Спецификация приборов Услов- Цена деный знак ления для Наиме- Обозна- Предел системы, много- Класс Заводснование чение на измеренаимено- предель- точности кой № прибора схеме ний вание ных присистемы боров Графики вычерчиваются по координатным сеткам размером 100 х 100 мм. Оси координат градуируются в определенном масштабе, начиная обязательно с нуля в начале координат. Цена деления масштабной оси должна выражаться одним из чисел 1, 2, 5, умноженным на 10 n (n = 0, 1, 2, …). На графиках следует отмечать точки, соответствующие номинальному режиму. Каждый график обязательно должен быть снабжен таким лаконичным текстом, чтобы можно было легко понять, какую именно зависимость характеризует построенный график.
1. Лабораторная работа № ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАТУШКИ
С
ФЕРРОМАГНИТНЫМ МАГНИТОПРОВОДОМ ПРИ
СИНУСОИДАЛЬНОМ НАПРЯЖЕНИИ
Цель работы • Изучить методы определения параметров схемы замещения катушки индуктивности.• Построить вольтамперную характеристику (ВАХ) катушки индуктивности с замкнутым магнитопроводом.
• Построение ВАХ катушки индуктивности с воздушным зазором в магнитопроводе.
Объект и средства исследования Для выполнения лабораторной работы по исследованию катушки с замкнутым магнитопроводом собирается схема, приведенная на рис. 9.1. Исследуемым объектом является первичная обмотка трансформатора TV3.
Рис. 9.1.
Для исследования катушки с разомкнутым магнитопроводом используется схема, приведенная на рис. 9.2. Исследуемым объектом является катушка индуктивности L2.
Основные теоретические соотношения Расчет потерь и коэффициента мощности производится по формулам:
потери электрические потери магнитные Построение векторной диаграммы производится для катушки без зазора в соответствии с уравнением в предположении, что сопротивление, учитывающее ЭДС от поля рассеяния, X рас = 0. Вначале в масштабе построить из общей точки вектор напряжения U и отстающий на угол вектор тока I. К концу вектора напряжения U пристроить вектор падения напряжения ( Rоб I ), параллельный вектору тока I. От начала вектора U к началу вектора ( Rоб I ) провести вектор E и отстающий от него на угол / 2 вектор магнитного потока Ф. Обозначить угол магнитных потерь между векторами магнитного потока Ф и тока I. Определить по диаграмме графически значения ЭДС E и угла.
Схема замещения включает четыре идеальных элемента с параметрами соответственно Rоб, X рас, X, Rм. Изображение схемы удобно начать с последовательного соединения первых трех элементов, а потом присоединить четвертый элемент параллельно третьему.
Здесь Rоб – активное сопротивление обмотки;
X рас – индуктивное сопротивление обмотки, обусловленное – индуктивное сопротивление, обусловленное ЭДС саX I р — намагничивающая составляющая тока, Rм – активное сопротивление, учитывающее потери в магнитопроводе, I а — составляющая тока, обусловленная потерями в 1. Собрать схему для расчета параметров катушки индуктивности с замкнутым магнитопроводом (рис. 9.1).
2. Снять и построить ВАХ катушки индуктивности с замкнутым магнитопроводом I = f (U ).
3. Определить параметры схемы замещения на линейном участке ВАХ и в области насыщения. Для измерения тока в первичной обмотке трансформатора использовать тестер или амперметр переменного тока с пределом 200мА.
4. Собрать схему для расчета параметров схемы замещения катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе.
ВНИМАНИЕ! Тумблер SA4 должен находиться в выключенном положении (рычажок – внизу).
5. Определить параметры схемы замещения катушки индуктивности с воздушным зазором в магнитопроводе.
6. Снять и построить ВАХ катушки индуктивности с воздушным зазором. Сравнить характеристики с полученными в п. 2.
2. Лабораторная работа № ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
• Изучение устройства и принципа действия однофазного трансформатора.• Изучение схемы замещения трансформатора и определение ее параметров.
• Изучение влияния характера нагрузки на внешнюю характеристику и к.п.д. трансформатора.
Исследование однофазного трансформатора производится по схеме, представленной на рис. 10.1. Для определения параметров схемы замещения трансформатора проводят опыты холостого хода (х.х.) (выключатель SA4 – выключен) и короткого замыкания (к.з.) (выключатель SA4 – включен).
Опыт к.з. производят при пониженном напряжении на первичной обмотке трансформатора (выключатель SA4 вверх). Исследуется и строится внешняя характеристика трансформатора при различном характере нагрузки (схема на рис. 10.2). Характер нагрузки изменяется при изменении емкости конденсатора С11. Изучаются методы повышения коэффициента мощности нагрузки и к.п.д. трансформатора.
Основные теоретические соотношения Схема замещения трансформатора показана на рис. 10.3.
Обозначения на схеме:
R0, X 0 – параметры схемы замещения, определяемые из опыта холостого хода трансформатора, Rк, X к – параметры схемы замещения, определяемые из опыта короткого замыкания трансформатора.
Схема опыта холостого хода показана на рис. 10.4.
Показания приборов PW1, РА1, PV3, РV2 дают возможность определить параметры схемы замещения трансформатора:
где – коэффициент трансформации трансформатора.
Схема опыта короткого замыкания показана на рис. 10.5.
Показания приборов PW1, PA1, PV3 дают возможность определить параметры схемы замещения:
а также активные и реактивные сопротивления обмоток:
Определение коэффициента мощности нагрузки (нагрузка — X L 2, R18). Используя данные лабораторной работы № 5 определяют cos нагрузки К.п.д. трансформатора:
где = 1 = – коэффициент загрузки трансформатора, S н = U1н I1н = U 2н I 2н = 100 Вт – его полная мощность.
Внешняя характеристика трансформатора U 2 = f () строится согласно уравнению:
где жения короткого замыкания трансформатора, U к.р.% = 1н к 100% – реактивная составляющая напряжения коU1н роткого замыкания трансформатора.
Для повышения значения коэффициента мощности нагрузки cos параллельно нагрузке (R18, L2) включается конденсатор C2.
Значение емкости конденсатора рассчитывают по формуле:
1. Изучить схему включения трансформатора.
2. Провести опыты х.х. и к.з. трансформатора. Для измерения тока х.х. в первичной обмотке трансформатора использовать тестер или амперметр переменного тока с пределом 200мА.
Внимание! В опыте к.з. до включения SA3 вывести ЛАТР Т2 в 0, тумблер SA4 установить в верхнее положение. В опыте х.х. номинальное напряжение первичной обмотки 220В.
3. Рассчитать параметры схемы замещения трансформатора.
4. Для нагрузки R18, L2 (л.р. № 5) рассчитать потери напряжения, вторичное напряжение и к.п.д.
5. Измерить вторичное напряжение при нагрузке R18, L2 и сравнить с рассчитанными в п. 4.
6. Рассчитать коэффициент мощности нагрузки R18, L2 и определить значение емкости С11 для повышения cos нагрузки до значения, заданного преподавателем. Результаты расчета проверить экспериментально.
7. Рассчитать потери напряжения, к.п.д. трансформатора при cos 2 треб и сравнить с данными п. 4.
3. Лабораторная работа № МЕХАНИЧЕСКИЕ И РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ
РОТОРОМ
• Изучение принципа действия трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.• Изучение основных свойств характеристик электродвигателя.
• Построение механической характеристики электродвигателя • Построение рабочих характеристик электродвигателя.
Для выполнения лабораторной работы собирается схема, показанная на рис. 11.1.
Паспортные данные асинхронного двигателя:
MN MN IN
В работе исследуют и строят механическую характеристику и две рабочие характеристики: = f ( P2 ) и cos = f ( P2 ) при включении обмоток статора звездой. Фазное напряжение при этом оказывается в 3 раз меньше номинального.Частоту вращения вала двигателя измеряют цифровым измерителем в относительных единицах. Для определения истинного значеN где n – текущее показание измерителя.
Уравнение механической характеристики M = f (s ) описывается формулой Клосса:
где M к = M N – критический момент – максимальный момент, = 1,5...2,5 – коэффициент перегрузки двигателя;
M N = 9,55 N – номинальный момент двигателя.
Вращающий момент через параметры схемы замещения можно определить по формуле:
0 = – угловая частота вращения магнитного поля статоp Приведенные значения тока ротора I1 = I '2 определяют из выражения вида:
Из (11.3) и (11.4) следует, что при снижении напряжения U1ф момент двигателя изменяется пропорционально U1ф, а ток U1ф.
Критическое скольжение определяется по формуле номинальное скольжение синхронная частота вращения магнитного поля статора К.п.д. двигателя рассчитывается по формуле здесь P2 – мощность на валу двигателя, определяется по формуле где – текущее значение момента на валу двигателя;
n2 – текущее значение частоты вращения ротора двигателя;
P – мощность, потребляемая двигателем (определяется по Коэффициент мощности двигателя рассчитывается по формуле где S1 = 3 U л I ф – полная мощность двигателя; значения U л и I ф измеряются приборами PV3 и РА1 при соединении обмоток двигателя звездой.
1. Рассчитать по паспортным данным номинальный ток двигателя и номинальный момент. Пересчитать полученные значения для фазного напряжения 127В. При номинальной частоте вращения где 2. Изучить и собрать схему испытания асинхронного двигателя.
На схеме нагрузкой АД является генератор постоянного тока М2, якорь которого коммутируется транзисторным ключом VT7, подключенным к широтно-импульсному модулятору ШИП. Тумблером SA включается цепь возбуждения генератора М2, тумблером SA19 включают ШИП, тумблером SA18 – измеритель скорости, SA14 подает напряжение на схему управления АД, кнопка SB3 служит для пуска двигателя, кнопка SB4 – для останова, переключателем SA17 осуществляется переключение схемы соединения обмоток.
3. Установить SA17 в положение «Y», резистор R43 – в положение “min”, включить SA14. Кнопкой SB3 запустить двигатель.
4. Подключить обмотку возбуждение нагрузочного генератора тумблером SA16, ШИП – тумблером SA19, измеритель скольжения – тумблером SA18. Сопротивлением R43 установить в фазе статора АД значение тока, равное I '1ф.
ВНИМАНИЕ! Если при подключении напряжения к обмотке возбуждения ДПТ и включении ШИП, ток якоря ДПТ резко увеличивается более 1А и не регулируется резистором R43, то необходимо поменять фазировку в сетевой вилке стенда.
Считая, что к валу АД приложена номинальная нагрузка для номинального режима M ' N = M 0 + M г и M г = С I я г, определить Здесь M 0 – статический момент нагрузки холостого хода, Н·м;
M г – момент генератора постоянного тока, Н·м;
I я г – ток якоря генератора постоянного тока (измеряется Конструктивный коэффициент генератора постоянного тока где M г N – номинальный тормозной момент генератора;
I я г N – номинальный ток якоря генератора.
5. Считая, что M 0 не зависит от частоты вращения и изменяя I я г с помощью реостата R43 снять показания следующих приборов:
измерителя частоты вращения; ваттметров PW1 и PW2; амперметров PA1 (ток фазы статора АД) и РА4 (ток якоря генератора); вольтметра PV3 (линейные напряжения, приложенные к обмоткам статора АД).
6. По результатам измерений построить:
• механическую характеристику M = f (s ) ;
7. Рассчитать механическую характеристику по формуле Клосса для пониженного напряжения и сравнить с результатами эксперимента.
4. Лабораторная работа № ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
• Изучение способов пуска, торможения и регулирования частоты вращения электродвигателя.
• Расчет и построение механических характеристик ДПТ.
Исследование двигателя постоянного тока с независимым возбуждением производится по схеме, представленной на рис. 12.2.
Паспортные данные ДПТ:
Для питания якоря ДПТ используется управляемый выпрямитель собранный по схеме рис. 12.1. (SA5 включен). Измерение частоты вращения производится так же, как в лабораторной работе № 11.
Для построения естественной механической характеристики шунтируют добавочные резисторы в цепи якоря R44 и R45 и, изменяя нагрузку (SA20 включен) с помощью АД включенного в режим динамического торможения (схема соединения обмоток – звезда) измеряют ток якоря ДПТ и частоту вращения для нескольких значений нагрузки. Частота вращения ДПТ на холостом ходу устанавливают с помощью УВ – 100%. Величина нагрузки регулируется изменением напряжения подаваемого на обмотки АД с трансформатора TV2.
ВНИМАНИЕ! Напряжение изменять от 0В.
Момент двигателя рассчитывают по формуле:
где С М Ф = – постоянная ДПТ, определяется при номинальном Для построения реостатной механической характеристики включают добавочные резисторы R44 и R45 в цепь якоря и повторяют процедуры изложенные выше.
Нагрузкой для ДПТ служит АД включенный по схеме динамического торможения. Чтобы подключить нагрузку необходимо SA включить в положение «Y», вывести галетные переключатели ЛАТРа ТV2 в «0» и включить SA20. Нагрузка изменяется ЛАТРом ТV2.
Основные теоретические соотношения Уравнение механической характеристики:
C E ФN C M C E ФN
где – напряжение источника питания двигателя, ФN – номинальное значение магнитного потока двигателя, Rя – сопротивление обмотки якоря, Rдоб – сопротивление добавочного резистора в цепи якоря, М – момент на валу двигателя, C М – моментная постоянная двигателя, CE – конструктивная постоянная двигателя, C E = 0,1C M, определяется из выражения К.п.д. двигателя определяется из выражения где P2 – мощность на валу двигателя, P – потребляемая двигателем мощность из сети, определяется по выражению P = U I = U I я + U I в, (12.5) P – потери мощности в двигателе, определяются по выраP = Pя + Pв + Pм, возбуждения, Pм – магнитные и механические потери (составляют до 5 % от потребляемой мощности).Сопротивление обмотки якоря определяется из выражения:
1. Собрать на стенде схему для испытания двигателя постоянного тока (рис. 12.2) и схему управляемого выпрямителя (рис. 12.1).
2. Построить естественную механическую характеристику двигателя. При отключенной нагрузке напряжение управляемого выпрямителя выставить таким, чтобы скорость вращения двигателя была номинальной. Резисторы R44 и R45 зашунтировать.
3. Построить две реостатные механические характеристики двигателя. При зашунтированных R44, R45 с помощью управляемого выпрямителя установить частоту вращения равную номинальной при отключенной нагрузке. Расшунтировать R44 и изменяя нагрузку снять одну реостатную характеристику, затем расшунтировать и R45 и снять вторую реостатную характеристику.
4. Зашунтировать добавочные резисторы в цепи якоря и, установив по п. 2. частоту вращения, изменяя момент нагрузки двигателя, определить при нескольких значениях моментов к.п.д. двигателя.
5. Лабораторная работа № ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА
• Построение характеристик холостого хода и внешней характеристики генератора.
Для выполнения лабораторной работы собирается схема, приведенная на рис. 13.1. Ток возбуждения изменяют управляемым выпрямителем (рис. 12.1, тумблер SA14 замкнут).
ВНИМАНИЕ! Если при подключении напряжения к обмотке возбуждения ДПТ и включении ШИП, ток якоря ДПТ резко увеличивается более 1А и не регулируется резистором R43, то необходимо поменять фазировку в сетевой вилке стенда.
Нагрузкой генератора является ШИП, который регулируется резистором R43; для вращения генератора используется асинхронный электродвигатель. Паспортные данные генератора даны в лабораторной работе № 12. Схема включения АД – «».
Для снятия характеристики холостого хода E = f ( I в ) нагрузку генератора отключают и изменяют ток возбуждения.
Внешнюю характеристику генератора U н = f ( I н ) снимают при номинальном токе возбуждения.
Основные теоретические соотношения Уравнение электрического состояния (внешней характеристики) генератора имеет вид где – напряжение генератора, Rя – суммарное сопротивление якорной цепи, E я = C E Ф n – ЭДС генератора, здесь CE – конструктивная работе № 12); Ф – магнитный поток обмотки возбуждения генератора; n – частота вращения якоря.
К.п.д. генератора определяется по формуле где Pм – магнитные и механические потери генератора (определяют для номинального режима и считают постоянными).
1. Собрать схему для испытания генератора постоянного тока с независимым возбуждением.
2. Снять и построить характеристику холостого хода.
3. Снять и построить внешнюю характеристику генератора (сопротивления R44 и R45 должны быть зашунтированы). Ток возбуждения номинальный.
4. По результатам измерений вычислить значения к.п.д. генератора и построить зависимость = f ( I я ).
6. Лабораторная работа № ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМ
ДВИГАТЕЛЕМ
• Изучение схемы прямого пуска асинхронного двигателя.• Изучение способов снижения пускового тока асинхронного двигателя.
Для выполнения лабораторной работы собирается схема, показанная на рис. 11.1.
Основные теоретические соотношения Для пуска асинхронного двигателя наиболее часто используются релейно-контакторные схемы управления. Они позволяют осуществить автоматический асинхронный пуск, изменение частоты вращения, останов, реверсирование, торможение и защиту двигателя. Как правило, силовая цепь коммутируется с помощью магнитного пускателя, а схема управления строится на основе всевозможных реле (напряжения, тока, времени, тепловых, контроля скорости и т.д.), контакты которых слаботочные.
В связи с тем, что при прямом пуске кратность пускового тока высока, важным моментом является ограничение пускового тока на уровне, примерно 5,5 – 7. На практике для снижения пускового тока АД его обмотки кратковременно соединяют звездой. Переключение с треугольника на звезду и обратно осуществляют специальным переключателем. Такое переключение не производят, если обмотки АД соединены звездой, т.к. их номинальное линейное напряжение 380В.
Пусковой момент АД не велик, поэтому пуск обычно производят при отключенной нагрузке.
1. Изучить схему пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (рис. 11.1). Пояснить назначение кнопок SB3, SB4, контакта КМ2.1 и реле КК.
2. Осуществить пуск АД при соединении обмотки статора в звезду и измерить пусковой ток амперметром РА1.
3. Осуществить пуск АД при соединении обмотки статора в треугольник и измерить пусковой ток амперметром РА1.
4. Осуществить пуск АД по п. 2 и после разгона быстро переключить схему соединения обмоток статора со звезды на треугольник, зафиксировав при этом бросок тока. Сравнить условия пуска АД по п.
3 с пуском по п. 4.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Лачин В.И. Электротехника: Учебное пособие для студентов втузов / В.И. Лачин, Н.С. Савелов. 4-е изд., перераб. и доп. Ростовна-Дону: Феникс, 2004. 576 с.2. Немцов М.В. Электротехника и электроника: Учебник для студентов вузов / М.В. Немцов. М.: МЭИ, 2003. 616 с.
3. Касаткин А.С. Электротехника / А.С. Касаткин, М.В. Немцов. М.:
Высшая школа, 1999. 542 с.
4. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций / В.А. Прянишников. СПБ.: КОРОНА принт, 1998. 400 с.
5. Электрические цепи: Методические указания к лабораторным работам по курсу "Электротехника". Свердловск: УПИ, 1990. 41 с.
«