Сергеев В.Д., Проскуренко С.С. Электрические машины систем автоматики. Методические указания

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию Р Ф

Дальневосточный государственный технический университет

им. В. В. Куйбышева (ДВПИ)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

Методические указания к лабораторным работам

для студентов специальностей 180400 «Электропривод и автоматика

промышленных установок и технологических комплексов»

и 210200 «Автоматизация технологических процессов и производств

в машиностроении»

Владивосток

2005

Одобрено методическим советом университета

УДК621.313

Э-45

Электрические машины систем автоматики: метод. указания / сост.

В.Д.Сергеев, С.СМ.Проскуренко, – Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2005.- с.

Методические указания составлены в соответствии с рабочими

программами дисциплин « Электрические машины систем автоматики» и

«Электрические машины и аппараты». Они включают четыре основные

лабораторные работы:

№ 13 Моментный двигатель постоянного тока,

№ 14 Тахогенераторы постоянного и переменного тока,

№ 15 Однофазные сельсины,

№ 16 Вращающиеся трансформаторы.

В процессе самостоятельной работы студенты изучают назначение,

устройство, принцип действия, основные определения, характеристики и

показатели перечисленных специальных электрических машин. Для

выполнения лабораторных работ приведены программы и подробные

рекомендации по экспериментальному учебному исследованию этих машин.

Предназначены для студентов электромеханических специальностей

вузов.

Печатается с оригинал-макета, подготовленного авторами.

Проскуренко С.С.

Содержание

Лабораторная работа № 13 Моментный двигатель

постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. .3

13.1. Теоретические сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 3

13.2. Программа лабораторной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . 9

13.3. Инструкция к лабораторному стенду . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . 9

13.4. Снятие моментной характеристики М = f (Iа), n= 0 . . . . . . . . . . . . .

.11

13.5. Снятие механических характеристик n= f (M), Uу = const. . . . . . . . .

13.6. Снятие регулировочных характеристик n= f (Uу), М = const. . . . . . . 12

13.7. Определение момента инерции двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 13

• 13.8. Определение электромагнитной и электромеханической

постоянных времени двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 14

13.9. Заключение по работе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.15

Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 15

Лабораторная работа № 14 Тахогенераторы постоянного

и переменного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14.1.Назначение, устройство, принцип действия, основные

определения и показатели тахогенераторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 15

14.2.Тахогенераторы постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 18

14.3.Асинхронный тахогенератор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 20

14.4.Программа лабораторной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 24

14.5.Инструкция к лабораторному стенду . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 24

14.6.Исследование тахогенератора постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . .

. 26

14.7.Исследование асинхронного тахогенератора . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 27

14.8.Расчёты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. .28

14.9.Заключение по работе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 29

Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 29

Лабораторная работа № 15 Однофазные сельсины . . . . . . . . . . . . . . . .

.30

15.1. Назначение, устройство, принцип действия и основные

определения сельсинов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 30

15.2. Особенности работы сельсинов в индикаторном режиме . . . . . . . . .

. 33

15.3. Особенности работы сельсинов в трансформаторном режиме . . . .

. 36

15.4. Особенности работы сельсина в режиме фазовращателя . . . . . . . .

. 38

15.5. Программа лабораторной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 39

15.6. Инструкция к лабораторному стенду . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 39

15.7. Исследование работы сельсинов в индикаторном режиме . . . . . . . .

. 41

15.8. Исследование работы сельсинов в трансформаторном режиме . . . .

. 42

15.9. Исследование работы сельсина в режиме фазовращателя . . . . . . . .

. .42

15.10. Заключение по работе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 43

Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 44

Лабораторная работа № 16 Вращающиеся трансформаторы . . . . . . .

. 44

16.1. Назначение, устройство, принцип действия, основные

определения и показатели вращающихся трансформаторов . . . . . . . . . . . . . .

. 44

16.2. Программа лабораторной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 47

16.3. Инструкция к лабораторному стенду . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. .48

16.4. Исследование ВТ в синусно-косинусном режиме . . . . . . . . . . . . . . .

. .49

16.5. Исследование ВТ в масштабном режиме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. .49

16.6. Исследование ВТ в режиме преобразователя координат . . . . . . . . .

. . 50

16.7. Исследование ВТ в линейном режиме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . 53

16.8. Исследование ВТ в режиме фазовращателя . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . 54

16.9. Исследование ВТ в режиме трансформаторной дистанционной

передачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. .

16.10. Заключение по работе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 58

Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . 58

Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . 58

Лабораторная работа № 13 Моментный двигатель

постоянного тока

13.1. Теоретические сведения

Приводные двигатели ряда механизмов работают в интенсивных

динамических режимах ( частые пуски, изменения частоты вращения,

торможение, реверсы). Для повышения быстродействия необходимо

обеспечивать максимальное ускорение двигателя в переходных процессах.

Это достигается путём использования специальных приводных двигателей,

обеспечивающих максимально возможный момент Mmax при минимальном

суммарном моменте инерции ротора двигателя и механизма JΣ:

(dω/dt)max = Mmax / JΣ.

Такие двигатели называют моментными ( или высокомоментными)

малоинерционными.

Большой момент двигателя можно получить при использовании в

качестве индуктора высокоэнергетических постоянных магнитов ( самарий-

кобальтовых, фенеборовых), обеспечивающих создание большого и

стабильного магнитного потока,

М = См Ia Ф.

Моментные двигатели постоянного тока широко применяются в

тиристорных и транзисторных электроприводах и прежде всего – в приводах

подач металлорежущих станков и звеньев роботов. Использование в

конструкции таких двигателей высокоэнергетических постоянных магнитов

по сравнению с электромагнитным возбуждением обеспечивает не только

высокие значения углового ускорения в переходных режимах, но и

равномерный ход при малых частотах вращения; способность выдерживать

большую перегрузку по току без размагничивания магнитной системы;

относительно большую тепловую постоянную времени и возможность

установки двигателей в механизмах подач станков непосредственно на

ходовой винт.

Моментный двигатель постоянного тока содержит на статоре полюсы

в виде постоянных магнитов (при магнитоэлектрическом возбуждении), реже

- полюсы с обмоткой возбуждения (при электромагнитном возбуждении). На

роторе располагается обмотка якоря и коллектор (рис.13.1). Дополнительные

полюсы отсутствуют. Якорь может быть обычным ( рис.13.1), полым

цилиндрическим или дисковым ( рис.13.2). В остальном конструкция

большинства моментных двигателей принципиально не отличается от

конструкции обычного двигателя постоянного тока.

а) б)

Рис.13.1. Моментный двигатель с магнитоэлектрическим ( а) и с

электромагнитным ( б) возбуждением: 1- подшипниковые щиты; 2- щётки; 3-

обмотка возбуждения; 4- сердечник полюса; 5- сердечник якоря; 6- полюсный

наконечник; 7- обмотка якоря; 8- коллектор; 9- постоянный магнит

Рис.13.2. Дисковый якорь моментного двигателя постоянного тока

с печатной обмоткой

Условное графическое изображение двигателя М с

магнитоэлектрическим возбуждением приведено на рис.13.9.

Наиболее важными характеристиками двигателя постоянного тока

являются моментная, механические и регулировочные характеристики.

Моментная характеристика устанавливает зависимость

электромагнитного момента М от тока якоря Iа:

М = СмФIа,

(13.1)

где См – конструктивный коэффициент момента, Ф – магнитный поток.

График моментной характеристики при постоянном потоке представляет

собой прямую линию, выходящую из начала координат.

Изменение направления вращения ( реверс) достигается изменением

знака (направления) момента путём изменения направления потока или тока

якоря.

Механической характеристикой двигателя называют зависимость

частоты вращения n от электромагнитного момента при постоянных

значениях напряжения якорной цепи U, магнитного потока и

сопротивлений цепей. Эта зависимость описывается выражением:

n = U / C eФ - М R a / C e C м Ф

(13.2)

где Се–конструктивный коэффициент ЭДС, Ra - сопротивления якорной цепи.

Механическая характеристика, соответствующая номинальным

условиям и отсутствию добавочных сопротивлений, называется

естественной. Характеристики при прочих условиях называют

искусственными. Графики естественной и нескольких искусственных

механических характеристик при питании двигателя от аналогового

источника, согласно выражению (13.2), приведены на рис.13.3. Из этого

рисунка следует, что при заданном моменте частоту вращения можно

регулировать ослаблением магнитного поля ( характеристика И1),

изменением напряжения якорной цепи (характеристики И2, И3) и введением

добавочного сопротивления в цепь якоря (характеристика И4).

Рис.13.3. Механические характеристики двигателя

при питании от аналогового источника

Величина n

на рис.13.3 называется частотой вращения идеального

холостого хода, при котором М = 0, на естественной характеристике.

Наиболее приемлемые характеристики и показатели двигателя

обеспечиваются при регулировании частоты вращения изменением

напряжения якорной цепи. Этот способ широко используется в

автоматизированных электроприводах, например, сложных станков и других

устройств.

Регулировочные характеристики представляют собой зависимость

частоты вращения от регулируемой величины. Характеристики n = f(U) при

Ест. (

н)

И2 (

)

И1 (Ф<Ф

н)

И3 (Rа.доб>0)

постоянном моменте приведены на рис.13.4. Напряжение трогания Uтрог –

это напряжение, при котором начинается вращение двигателя. Его величина

прямо пропорциональна моменту двигателя.

Двигатель постоянного тока – хорошо регулируемый ( управляемый)

двигатель.

Если напряжение управления U у постоянного тока подаётся на

обмотку якоря, управление двигателем называют якорным.

Разновидностью якорного управления является импульсное

управление, когда на обмотку управления подаётся импульсное напряжение с

регулируемой скважностью γ. В простейшем случае скважность

γ = tи / (tи +tп) = tи / T,

Рис.13.4. Регулировочные характеристики двигателя при постоянном

моменте

где tи, tп и T – соответственно продолжительность импульса, паузы между

импульсами и период ( рис.13.5). За счёт этого изменяется напряжение

управления, равное среднему за период значению напряжения

Uу = Uср = U⋅(tи

/ Т ) = U⋅γ.

Uтрог.1

М=0

М1>0

Рис.13.5. Диаграммы напряжения, тока и частоты вращения двигателя

при однополярном импульсном управлении

При импульсном управлении обмотку управления двигателя

подключают к полупроводниковому преобразователю напряжения ППН,

работающему в режиме ключа, управляемого широтно-импульсным

преобразователем (рис.13.6).

Частота коммутации ППН f = 1/Т, причём период Т = tи + tп. При Т =

const и изменении соотношения между tи и tп изменяется и среднее значение

напряжения, подаваемого на двигатель. Скважность γ называют также

коэффициентом регулирования напряжения.

Рис.13.6. Простейшая схема включения двигателя при однополярном

импульсном управлении

На рис.13.6 обратный диод VD необходим для обеспечения замыкания

пути тока якоря i во время паузы под действием ЭДС самоиндукции обмотки

якоря после исчезновения импульса напряжения.

Приемлемая частота коммутации f = 1/ Т составляет 200…2000 Гц.

Чтобы пульсации тока якоря и частоты вращения двигателя были

небольшими (не более 5…10%), следует принимать длительность импульсов

на порядок меньше электромагнитной постоянной времени Та якорной цепи.

Для обеспечения этого соотношения приходится увеличивать индуктивность

якорной цепи за счёт введения дополнительной индуктивности Lд.

Элементы L ф, C ф – фильтр, препятствующий распространению

высших гармоник тока в питающую сеть, возникающих от работы ППН и

коллектора двигателя.