Ръководство за лабораторни упражнения по УЕМС (ЕМУС)

Венелин И.Яков

Емил К.Кузманов






УПРАВЛЕНИЕ НА ЕЛЕКТРОМЕХАНИЧНИ
СИСТЕМИ




Р Ъ К О В О Д С Т В О


за лабораторни упражнения













РУСЕ – 2007

2








УПРАВЛЕНИЕ НА ЕЛЕКТРОМЕХАНИЧНИ СИСТЕМИ - I

(Електрозадвижване)







Настоящето ръководство за лабораторни упражнения е предназначено за
студенти от специалности АИУТ, Електроника и ЕЕЕО от образователни
степени “бакалавър” и “магистър”, в РУ “А. Кънчев” – Русе. Освен това то
може да бъде полезно и за преквалификация на кадри от производството и за
опресняване на знанията по традиционната дисциплина “Основи на
електрозадвижването”. Също така, учебното помагало може да бъде ползвано и
от студенти по други специалности.

3





В Ъ В Е Д Е Н И Е


Ръководството по УЕМС има за цел да подпомогне студентите при
подготовката им за провеждане на лабораторните и практически занятия,
провеждани на територията на катедра АИУТ в РУ “А. Кънчев”.
В първото - “Встъпително упражнение”, са дадени основите на
опитното
снемане на електромеханичните и механични характеристики на
електрическите двигатели. В следващите упражнения се снемат
експериментално механичните характеристики на различните видове
двигатели: постояннотокови, променливотокови – асинхронни (монофазни,
трифазни, линейни и др). Разгледано е експерименталното определяне
мощността на електродвигателя в различни режими на работа. Определят се
времеконстантите на преходните процеси и топлинните
параметри.
Авторите си запазват правото за корекции и допълнение на учебното
помагало при изменение на лабораторната база и в други случаи.

4
ВСТЪПИТЕЛНО УПРАЖНЕНИЕ

МЕТОДИКА ЗА ЕКСПЕРИМЕНТАЛНО СНЕМАНЕ НА МЕХАНИЧНИТЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ДВИГАТЕЛИТЕ
В повечето случаи при доставка и почти винаги при експлоатация на
електрозадвижването, механичната характеристика на двигателя не е известна.
Обикновено са дадени номинални данни в каталога: P
н, kW; Uн, V; Iн, А, nн,
ob/min; cosφ; η
н; λi; λп, λк. Получаването на естествената и изкуствените
механични и електромеханични характеристики се осъществява с помощта на
товарно устройство – от пасивен или активен тип, позволяващо изменение на
момента на двигателя в широки граници в двата режима – двигателен и
генераторен.
1. Пасивно товарно устройство от типа “генератор за постоянен ток с
независимо възбуждане”, работещ върху
активен товарен резистор (фиг.1).

M
~BR
=
Т
R
ТМ
ТА
ω
LM
ТI
1 2
3
4
5
ω
М
1ТR
2ТR
3Т
R
4ТR
5ТR
1
ω
1М
ИД

а) б)

Фиг.1. Товарно устройство (ТМ) от пасивен тип (а) и механични характеристики от
съвместна работа на изпитвания двигател (ИД) с товарното устройство(б)



В схемата от фиг. (1,а) изпитваният двигател е асинхронен, а в качеството
на товарно устройство се използва друг – двигател за постоянен ток, работещ в
режим на динамично спиране с товар – товарен резистор R
Т (или генератор за
постоянен ток, отдаващ енергията върху активен товар). Това товарно

5
устройство развива съпротивителен момент от линеен тип (механична
характеристика
)(
c
Mf
=ω ), с ъгъл на наклона, зависещ от товарния резистор
R
т.. По този начин има възможност за промяна на съвместната работна точка
(т.1, 2, 3, 4, 5) и оттам на режима на работа на ИД. За т. 1 координатите на
режима са (
11
,М
ω). Скоростта се отчита с помощта на тахогенератора BR, а
товарният момент – косвено с амперметъра А
Т. Стойностите на величините се
изчисляват съгласно формулите:

NmIkМMsradUk
ттмТтгтг
,.;/,.
===ω , (1)
където:
тгk е константата на тахогенератора;
тмk - константа на товарната
машина.
За показаното товарно устройство е характерно това, че то може да
осигури натоварване (а оттам и отчитане на момента на двигателя) само в
двигателен режим (първи и трети квадрант). Затова е от пасивен тип.

2. Товарно устройство от активен тип
Снемане на механичните характеристики на
двигателите в спирачните
режими може да се осъществи от товарно устройство от активен тип, т.е. да
работи като задвижващ двигател, а изпитваният двигател – като спирачка.
Такова устройство е показано на фиг.2.


ПДM
~B
R
= ТМ
Т
А
ω
LM
ТI
ИД
ПМ
вU
+ −
1LM
RP
SA
eP
eдP
const=ω

1
2
3
4
5
6
ω
M+M−
ω−

a) б)
Фиг.2. Товарно устройство от активен тип а) и механични характеристики б) на
съвместната работа на ИД + ТМ

6

В състава на товарното устройство влизат освен товарната машина ТМ
още: помощната машина (ПМ) и помощният двигател (ПД). Последните две
машини се движат с постоянна скорост (агрегат при постоянна скорост) и
служат за осъществяване на двустранен обмен на енергията с мрежата. Според
големината и посоката на е.д.н.
на двете постояннотокови машини, режимът на
ИД може да се променя от двигателен в спирачен (фиг. 2,б). Характеристиките
на товарното устройство (пунктираните линии) са разположени в четирите
квадранти на координатната система, което определя работната точка (т. 1, 2, 3,
4, 5, 6). Режимът на работа в т. 2, 3, 4 е двигателен (в т. 2 – работа на идеален
празен ход),
в т. 1 – генераторен, а в т. 6 – режим на противовключване.
Промяната на характеристиките се осъществява с възбуждането на ПМ (с
потенциометъра RP), а с превключвателя SA може да се реверсира знака на
е.д.н. на котвената намотка на ПМ (т. 6).
Друго предимство на това товарно устройство е високият к.п.д. по
време
на експеримента, защото се осигурява двустранен обмен на енергия – загубите
са сведени до минимум. Така например при работа на ИД в двигателен режим
ПД работи в генераторен, а при работа на ИД в генераторен – ПД работи в
двигателен.
Моментът на двигателя в различните режими, с отчитането на
механичните загуби,
се отчита с формулата:

( )NmIIkM
ЗТтм, ±±= , (2)
където: I
З е токът на загубите на товарната машина, който протича през
котвената верига на ТМ в режим на реален празен ход за съответната скорост,
при разкъсана механическа връзка между ТМ и ИД.
Токът на загубите се задава от ръководителя на упражнението.
Знакът (+) – за двигателен режим; знакът (-) – за генераторен режим на
работа.
Зависимостта I
З = f(ω) се нарича тарировъчна крива.

7
Определяне на константата на товарната машина- К
ТМ
Константата на товарната машина ТМ може да се определи от известното
уравнение за е.д.н. на постояннотоковите машини

ωω
ТМ
кcФE == . (3)
При известни номинални данни за товарната машина константата се
определя както следва:

н
анaн
н
н
ТМ
IRUЕ
к
ωω
. ±
== , (4)
където всичките данни в (4) са номиналните данни за ТМ.
Знакът (+) се отнася за генераторен режим, а (-) – за двигателен.
Номиналната скорост се определя от формулата:
srad
n
н
н
/,
30
. π
ω= .
Съпротивлението на котвата на двигателя се определя по формулата:

()
ан
н
нa
I
U
R
η−=1.5,0 , (5)
където η
н е номиналният к.п.д. на двигателя. Ако на табелата няма данни, за
него се приема номинален к.п.д. 0,85.
Определяне на константата на тахогенератора-
тг
k
Константата на тахогенератора се определя от номиналните данни на
микромашината:

V
srad
U
n
U
k
тгн
н
тгн
н
тг
/
,
.30
.
πω
== .
Определяне на номиналните параметри на ИД
От табличните данни на ИД се определят номиналните данни на
двигателя:
- М
н = Pн/ωн, Nm;
- ω
н = πn н/30, rad/s;
За получаване на електромеханичните характеристики на двигателите е
необходимо да се отчита и токът на ИД с амперметър в котвата при ПТМ или в
статорната верига при електрическите машини за променлив ток
.

8


Условия на опита: двигателен(генераторен) режим; други
Таблица 1
Uтг,V
Iт,A
Ia,A
Опитно
снети
величини
Iз,А
NmM,±
Изчислени
величини
srad/,
ω±



Данните от експеримента се нанася в таблици (табл.1), които съдържат
редове за опитно снетите и за изчислителните величини. Таблиците съдържат
условията на опита: режима на работа (двигателен или генераторен);
параметъра на котвената верига; номиналното напрежение или честота и др.
При използване на компютърна техника данните да се нанасят
в таблици
в Excel, като след това лесно се преминава в режим на изчертаване на
графичните зависимости. Схемата на опитната постановка се изчертава в среда
Visio (Protel, OrCad). За целта може да се ползват създадените от авторите на
учебника библиотеки за съществуващите елементи.

Забележка: При използване на амперметри от електродинамичната
система, които
не отчитат посоката на тока в котвените вериги, за режима
на работа се съди по едновременното изменение на котвения ток и
напрежението на тахогенератора. Ако двете величини се изменят в
противоположни посоки – режимът е генераторен; ако двете величини се
изменят в една и съща посока – режимът е двигателен.

9
ЛАБОРАТОРНО УПРАЖНЕНИЕ № 1

МЕХАНИЧНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ДВИГАТЕЛ ЗА ПОСТОЯНЕН ТОК С
НЕЗАВИСИМО ВЪЗБУЖДАНЕ(ДПТНВ)

I. ЦЕЛ И ЗАДАЧИ НА УПРАЖНЕНИЕТО
Целта на упражнението е да се снемат следните механични характеристики
на ДПТНВ: естествена; реостатна; с понижено напрежение; с намален магнитен
поток.
Поставената цел се постига с решаване на следните
задачи: запознаване с
опитната постановка; определяне на константите на товарната машина и на
тахогенератора; определяне на номиналните данни на ИД; опитно снемане на
характеристиките на двигателя; сравняване на получените резултати с
каталожните; графична интерпретация на получените резултати; изводи.

II. КРАТКИ ТЕОРЕТИЧНИ СВЕДЕНИЯ
Механичната характеристика на ДПТНВ се описва от уравнението

( )
()
М
cФ
RR
сФ
U
даа
2
+
−=ω , (1)
което представлява уравнение на права линия, минаваща през ω
0( скорост на
идеален празен ход) и с ъглов коефициент, определен от втория член.
Параметри в уравнение (1), водещи до получаване на семейство изкуствени
механични характеристики са:
даRU,и Ф. На фиг. 1 са показани естествената и
три изкуствени механични характеристики. Естествената характеристика (1)
има максимално възможната твърдост. Реостатната характеристика (2) е
получена при включване на допълнително съпротивление в котвената верига
даRи има по-малка твърдост от естествената. Тя пресича ординатната ос в
същата точка, т.е. добавъчният резистор в котвата не променя скоростта на
и.п.х. При намаление на Ф се получава характеристика над естествената, но с

10
намалена твърдост, а при понижение на напрежението – характеристика,
успоредна на естествената и с намалена скорост на и.п.х.:
ФсU
./
//
0
=ω . (2)



srad/,ω
NmM,+NmM,−
1
2
3
4
0
ω
/
0
ω
//
0
ω


Фиг. 1. Механични характеристики на ДПТНВ – (1)естествена,(2) реостатна,
(3) характеристика при понижено напрежение,(4) характеристика с понижен
магнитен поток


Всички характеристики на ДПТНВ са прави линии.

III.
СХЕМА НА ОПИТНАТА ПОСТАНОВКА
На фиг. 2 е показана схемата на опитната постановка за провеждане на
упражнението. Товарното устройство за снемане на характеристиките е от
активен тип. В котвената верига на двигателя ИД е включен реостат R
да , който
освен за получаване на изкуствена реостатна характеристика изпълнява и
ролята на пусков реостат. В котвените вериги на ТМ и ПМ е предвиден възел за
безопасно включване на двете машини в паралел (при отсъствието му е
възможно да настъпи токов удар). Възелът се състои от превключвателя SA и