Машины постоянного тока Методические указания к лабораторным работам

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Ростовский государственный университет путей сообщения

, ,

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Методические указания

к лабораторным работам

Ростов-на-Дону

2001

УДК 621.313.333

Машины постоянного тока: Методические указания к лабораторным работам /, , ; Рост. гос. ун-т путей сообщения. Ростов н/Д, 2001. 19 с.

Приводятся сведения о методике исследования электрических машин постоянного тока, их свойств и характеристик в условиях лаборатории электрических машин РГУПС.

       Предназначены для студентов специальности 180.100 – «Электромеханика» (ж.-д. транспорт ).

Рекомендованы к изданию кафедрой «Электрические машины» РГУПС.

Табл. 15. Ил. 4. Библиогр.: 5 назв.

Рецензент:        канд. техн. наук, доц. (РГУПС) 

Машины постоянного тока

Методические указания к лабораторным работам

Редактор

Корректор

Подписано к печати  30.11. 2001г. Формат 60×84/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16.

Уч. изд. л. 1,57.  Тираж  50.  Изд. № 16.  Заказ  № 000.

Ростовский государственный университет путей сообщения.

Лицензия ЛР № 65-54 от 10.12. 1999 г.

Ризография РГУПС. Лицензия ПДЛ № 65-10 от 10.08. 1999 г.

Адрес университета: 344038, Ростов н/Д, пл. им. Ростовского стрелкового полка народного ополчения, 2

©  Ростовский государственный университет путей сообщения, 2001

С о д е р ж а н и е

Лабораторная работа № 1. Исследование генератора постоянного тока Лабораторная работа № 2. Исследование двигателя постоянного тока последовательного возбуждения  Лабораторная работа № 3. Исследование двигателя постоянного тока параллельного возбуждения  Лабораторная работа № 4. Определение потерь и КПД машины постоянного тока  Лабораторная работа № 5. Исследование процесса нагревания машины постоянного тока 

Рекомендуемая литература 

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы. Изучить принцип действия и конструкцию генератора, способы его возбуждения, исследовать его характеристики.

Порядок выполнения работы.

Ознакомиться с экспериментальным стендом, выписать паспортные данные генератора и первичного двигателя. Получить данные для построения характеристики холостого хода при независимом возбуждении  Е = f(IВ) при  и . С этой целью необходимо включить рубильником первичный двигатель, вращающий якорь генератора, замкнуть рубильники и . Регулируя сопротивление , установить величину ЭДС генератора равную (1,3÷1,4). Далее постепенно уменьшают величину тока возбуждения до нуля и снимают данные для построения характеристики холостого хода (7-8 точек) и сводят их в табл. 1.

  Таблица 1

E, B

IВ, А

Заметим, что при опыте движок реостата RВ2 следует перемещать только в одну сторону.

Построенная характеристика холостого хода смещается конгруэнтно в начало координат.

Снять данные для построения внешних характеристик генератора при независимом (IB=const) и параллельном (RВ2=const) возбуждении при .

Величина тока якоря изменяется при регулировании сопротивления R H.

Данные измерений сводятся в табл. 2 и 3.

Внешняя характеристика генератора при независимом возбуждении

          Таблица 2

U, B

IA, A

Внешняя характеристика генератора при параллельном возбуждении ( при самовозбуждении)

  Таблица 3

U, B

IA, A

Внешние характеристики снимаются для убывающей нагрузки: устанавливается такой режим генератора, при котором при ток якоря , затем увеличивают сопротивление до тех пор пока ток якоря не станет равным нулю. Внешние характеристики строятся в одних осях, следует объяснить их различие.

Снять данные для построения регулировочных характеристик генератора постоянного тока при независимом и параллельном возбуждении при ; .

Данные эксперимента сводят в табл. 4 и 5.

Регулировочные характеристики генератора при независимом возбуждении

  Таблица 4

IB, A

IA, A

Регулировочные характеристики генератора при параллельном возбуждении

  Таблица 5

IB, A

IA, A

Установить режим работы генератора, при котором , , и записать в таблицу значение тока возбуждения . Затем уменьшают ток якоря, что приведет к увеличению напряжения генератора. Изменяя величину сопротивления в цепи возбуждения, снова устанавливают и только тогда в таблицы вносятся значения токов якоря и возбуждения. Регулировочные характеристики генератора при независимом и параллельном возбуждении следует построить в одних осях и пояснить их различие.

Вопросы для контроля и самопроверки

1. Назовите способы возбуждения генераторов постоянного тока.

2. Каковы условия самовозбуждения генератора?

3. Почему напряжение генератора изменяется при изменении нагрузки?

4. Каким образом компенсируется реакция якоря в генераторе постоянного тока?

5. Почему характеристика холостого хода генератора постоянного тока, полученная опытным путем, не выходит из начала координат?

6. Почему внешняя характеристика генератора при параллельном возбуждении проходит ниже, чем при независимом?

7. Поясните вид регулировочной характеристики генератора.

8. Почему характеристика холостого хода нелинейна?

9.  Назовите области применения генераторов постоянного тока. 

Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Цель работы. Изучить принцип действия и конструкцию двигателя, способы его пуска и регулирования, исследовать характеристики и работу машины в различных режимах.

Порядок выполнения работы.

1. Ознакомиться с испытательным стендом, выписать паспортные данные двигателя. Обеспечить пуск двигателя под нагрузкой, т. к. при работе в режиме холостого хода возможно теоретически неограниченное возрастание частоты вращения, называемое «разносом», способное привести к разрушению машины. Для избежания «разноса» при включении рубильника (рис.2) необходимо при помощи реостатов обеспечить полное магнитное поле главных полюсов нагрузочного генератора.

Снять данные для построения рабочих характеристик двигателя (, , , , )  =   для  двух  значений  подводимого  напряжения: = и 

= 0,75. Для этого двигатель пускается под нагрузкой при = 1,5, после чего снимаются 6-7 отсчетов, увеличивая величину сопротивления до тех пор пока частота вращения достигнет величины ≅(1,5÷2). Результаты измерений и расчетов сводят в табл. 1.

  Таблица 1

Данные  измерений	Данные  расчета
№ п/п	UД, В	IД, А	n, об/мин	UГ, В	IГ,  А	РГ, Вт	Р1, Вт	Р2, Вт	М, Н⋅м	η

Расчетные значения определяются по следующим формулам. Подводимая к двигателю мощность . Мощность, вырабатываемая нагрузочным генератором . Полезная мощность на валу двигателя , где - КПД нагрузочного генератора (задается преподавателем, если эта величина не задана, то для режимов, близких к номинальному, можно принять = 0,75). Момент на валу двигателя , Н. м. КПД двигателя .

По данным табл. 1 строятся рабочие характеристики машины.

Исследовать работу двигателя с последовательным возбуждением в режиме ослабления основного магнитного поля.

Для ослабления магнитного поля замыкается рубильник (рис. 2). Изменяя величину сопротивления , шунтирующего обмотку возбуждения двигателя, устанавливается коэффициент ослабления поля α=0,5. Коэффициент ослабления магнитного поля α=. Далее снимаются данные для построения рабочих характеристик двигателя при ослабленном магнитном поле, которые сводятся в таблицу, аналогичную табл. 1. Следует сравнить рабочие характеристики двигателя при полном и ослабленном магнитных полях.

Снять данные для построения регулировочной характеристики двигателя при .

Снять 5-6 отсчетов и свести  данные в табл. 2.

  Таблица 2

U, B

IД, А

Осуществить регулирование частоты вращения двигателя путем изменения величин подводимого напряжения при 0,75; . Данные измерений привести в табл. 3.

  Таблица 3

n, об/мин

U, B

По данным измерений и расчетов построить характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения, сделать заключение о работе и эксплуатационных качествах машины.

Вопросы для контроля и самопроверки

1. Какова конструкция двигателя постоянного тока последовательного возбуждения?

2. Почему при работе без нагрузки двигатель последовательного возбуждения идет «в разнос» ?

3. Назовите способы и особенности пуска в ход двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.

4. Каким способом регулируется частота вращения двигателя?

5. Оцените способы регулирования частоты вращения двигателя с точки зрения их экономичности.

6. Что такое «ослабление магнитного поля» ?

7. Как повлияет на величину тока, потребляемого двигателем из сети, шунтирование обмотки возбуждения?

8. Почему двигатели постоянного тока последовательного возбуждения используются в качестве тяговых машин на подвижном составе?

9. Сопоставьте скоростные характеристики двигателя при полном и ослабленном магнитных полях.

10. Как влияет на КПД двигателя ослабление магнитного поля?

Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Цель работы. Изучить принцип действия и конструкцию двигателя, способы его пуска и регулирования, исследовать характеристики и работу машины в различных режимах.

Порядок выполнения работы.

1. Ознакомиться с экспериментальным стендом и выписать паспортные данные двигателя. Собрать схему стенда в соответствии с рис. 3. Осуществить пуск двигателя, при котором реостат RП должен иметь максимальное, а реостат RВД – минимальное сопротивление. Особое внимание следует обратить на надежность контактов в цепи возбуждения двигателя, т. к. разрыв этой электрической цепи при работе машины приводит к ее «разносу».

Рис. 3

2. Экспериментальным путем снять данные для расчета и построения рабочих характеристик двигателя (n, IД, P1, M, η) = f(P2) при номинальном напряжении на зажимах машины. С этой целью после пуска двигателя увеличивают нагрузку на его валу при помощи генератора постоянного тока от холостого хода (IД0) до 1,25IДН и снимают 6-7 отсчетов. Данные измерений и расчетов сводят в табл. 1.

  Таблица 1

Данные  измерений	Данные  расчета
№ п/п	UД, В	IД, А	n, об/мин	UГ, В	IГ,  А	РГ, Вт	Р1, Вт	Р2, Вт	М, Н⋅м	η

Расчетные значения определяются по следующим соотношениям. Мощность, потребляемая двигателем из сети, состовляет  . Мощность, вырабатываемая нагрузочным генератором . Полезная мощность на валу двигателя , где - КПД нагрузочного генератора (задается преподавателем, если эта величина не задана, то для режимов, близких к номинальному, можно принять = 0,75). Момент на валу двигателя параллельного возбуждения , a его коэффициент полезного действия .

По данным табл. 1 строятся рабочие характеристики двигателя.

2. Снять данные для построения характеристики холостого хода двигателя параллельного возбуждения n = f(IВД) при UД = UДН  и IД = IД0. Данные измерений сводятся в табл. 2.

  Таблица 2

n, об/мин

IBД, А

       Примечание: при снятии характеристики холостого хода частота вращения не должна превышать двойного номинального ее значения. По данным табл. 2 строится характеристика холостого хода.

       3. Экспериментальным путем получить данные для построения регулировочной характеристики двигателя IВД =f(IАД) при  UД = UДН  и n = nН = const. Ток якоря двигателя (рис. 3) равен IАД = IД – IВД. Регулировочную характеристику следует снимать, начиная с минимального тока якоря IА0.

       Данные измерений сводятся в табл 3.

                        Таблица 3

IBД, A

IД, A

IAД, А

       На основании данных табл. 3 строится регулировочная характеристика двигателя.

       Полученные характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения позволяют провести анализ всех режимов его работы.

       Задание для УИРС

1. Разработайте схему защиты двигателя параллельного возбуждения от обрыва цепи обмотки возбуждения.

Вопросы для контроля и самопроверки

1. Опишите конструкцию двигателя постоянного тока параллельного возбуждения.

2. Каковы особенности пуска в ход двигателя параллельного возбуждения?

3. Почему непосредственно в сеть можно включать только двигатели постоянного тока малой мощности?

4. Сравните способы пуска двигателей постоянного тока с точки зрения их экономичности.

5. Назовите способы регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока.

6. Какой из способов регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока обеспечивает наибольший диапазон регулирования?

7. Оцените экономичность способов регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока.

8. Какими способами можно определить КПД двигателя параллельного возбуждения?

9. Поясните вид рабочих характеристик двигателя постоянного тока параллельного возбуждения.

10.  Что показывает регулировочная характеристика двигателя?

11. Какие меры предосторожности следует соблюдать, чтобы двигатель не пошел в «разнос» ?

12. Как изменить направление вращения двигателя?

13. Назовите основные области применения двигателей параллельного возбуждения?

14. Как влияет частота вращения двигателя на коммутацию?

Лабораторная работа № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ И КПД МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы. Ознакомиться со способами определения потерь мощности и КПД машины постоянного тока, определить коэффициент полезного действия машины методом отдельных потерь.

Порядок выполнения работы.

1. Ознакомиться с конструкцией машины постоянного тока и ее паспортными данными. Собрать схему экспериментальной установки (рис. 3).

2. Измерить сопротивление цепи якоря методом, указанным преподавателем,  и привести его к 750 С.

Осуществить пуск машины в режиме двигателя на холостом ходу. Для различных значений частоты вращения якоря (1,1nН; nН; 0,8nН и 0,6nН) снять зависимости Р0 = f (UД), поддерживая при этом неизменной частоту вращения. Данные измерений сводятся в табл. 1.

  Таблица 1

n, об/мин

UД, B

На основании экспериментальных данных построить зависимости Р0 = f (UД)2 для различных частот вращения якоря.

5. Произвести разделение потерь и определить КПД машины постоянного тока. Коэффициент полезного действия машины определяется на основании соотношения ,  где

Р2 – полезная мощность; Р1 – подводимая к машине мощность; ΣР – сумма потерь мощности.

Сумма потерь мощности двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

∑Р = I 2AД ∑RA+Δ,

где I 2AД ∑RA - электрические потери в цепи якоря;  ΔUщIA - электрические потери в щеточном контакте.

Для графитовых и электрографитированных щеток принимают Δ=1В, а для металлографитовых щеток Δ=0,5В. IВД - ток возбуждения. РС – потери в магнитной системе машины (потери в стали). Рмех  - механические потери. Рдоб – добавочные потери (при номинальной нагрузке принимают Рдоб = 0,01 Р1Н). Для режимов работы, отличающихся от номинального, Рдоб определяется по формуле Рдоб = Рдоб Н (IАД /IАДН)2.

Потери холостого хода Р0, главным образом, включают в себя потери в стали и механические. Строго говоря, в состав Р0 входят электрические потери в цепи якоря и в щеточных контактах. Электрические потери в режиме холостого хода весьма малы, поэтому ими можно пренебречь. Потери холостого хода не зависят от нагрузки и определяются соотношением Р0 ≅IД=РС + Рмех.

       Для разделения потерь холостого хода двигатель запускается без нагрузки, и для номинальной частоты вращения снимают данные и сводят их в табл. 1. Далее строится зависимость Р0 = f (UД)2, которая практически прямолинейна (рис. 4). Отрезок, получаемый при пересечении этой прямой с осью ординат, равен механическим потерям при номинальной частоте вращения, поскольку потери в стали равны нулю при=0. Вертикальные отрезки, заключенные между прямой Р0= f(UД)2 и горизонтальной штриховой линией, равны потерям в стали, которые увеличиваются с ростом напряжения (рис. 4). Задаваясь значениями тока IАД=IД – IВД, рассчитывают значения отдельных потерь и КПД машины постоянного тока. Данные измерений и расчетов сводят в табл. 2. По данным табл. 2 строятся зависимости отдельных потерь, суммы потерь ∑Р и коэффициента полезного действия в функции тока якоря.

Таблица 2

№ п/ппппп	UД, В	IД, А	IВД, А об/мин	IАД, А	I2АД∑R,  Вт	Рщ, Вт	Рмех, Вт	РС, Вт	РВ, Вт	Рдоб, Вт	η

Рис. 4

5. Для номинального режима работы машины постоянного тока в качестве двигателя постоянного тока строят энергетическую диаграмму с указанием отдельных потерь, определенных на основании опытов и расчетов.

Задание для УИРС

1. Исследуйте влияние частоты вращения якоря двигателя постоянного тока на величину потерь в стали.

Вопросы для контроля самопроверки

1. Что такое КПД электрической машины?

2. Что является полезной мощностью для двигателя и для генератора постоянного тока?

3. Назовите способы непосредственного определения КПД машины постоянного  тока и каковы их недостатки?

4. В чем преимущества косвенных методов определения КПД?

5. Каковы виды потерь мощности в машинах постоянного тока?

6. В каком случае при определении КПД машины постоянного тока не следует учитывать потерь на возбуждение?

7. Каковы причины возникновения добавочных полюсов?

8. Каким образом разделяются потери холостого хода на потери в стали и механические?

9. От каких факторов зависят потери на гистерезис?

10. Почему механические потери не зависят от напряжения?

11. От чего зависят механические потери?

12. Нарисуйте энергетическую диаграмму машины постоянного тока, работающей в режиме двигателя.

13. Какие сопротивления должны быть учтены при определении электрических потерь в цепи якоря постоянного тока при независимом, параллельном, последовательном и смешанном возбуждении?

14. Eсли в машине используются меднографитовые щетки, то как это скажется на величине потерь в щеточном контакте?

Лабораторная работа № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАГРЕВАНИЯ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы. Ознакомиться с методами определения температуры отдельных частей электрической машины, установить закономерности их нагревания при работе машины.

Порядок выполнения работы.

1. Ознакомиться с конструкцией исследуемой машины, выписать ее паспортные данные и собрать схему экспериментальной установки в соответствии с рис. 3.

2. Осуществить пуск машины, предварительно измерив температуру окружающей среды при помощи термометра.

3. Измерить до включения машины сопротивления обмоток возбуждения и дополнительных полюсов методом амперметра и вольтметра.

4. Нагрузить машину до номинального значения тока якоря IА= IАН  при помощи генератора постоянного тока и в течении 2 ч измерять значения температуры обмоток возбуждения и дополнительных полюсов методом сопротивления и при помощи термопар. Замеры сопротивлений и температур обмоток производят периодически, причем после пуска производят 4-5 измерений с интервалом в 5 мин, а затем – через каждые 10 мин. Выводы термопар, встроенных в обмотки, подключаются к тарированному милливольтметру или к потенциометру.

Расчет температуры, определяемой по методу сопротивления, проводят по формуле

       ,

где - искомая температура, 0С;

- начальная температура обмотки до включения машины в момент времени t = 0;

- сопротивление обмотки при t=0;

- измеренное сопротивление обмотки в данный момент времени t = tX;

- температурный коэффициент сопротивления (для медных обмоток = 0,004).

Результаты измерений и расчетов температуры обмоток по методу сопротивления сводят в табл. 1.        

  Таблица 1

№ п/п	t, мин	RВ, Ом	RДП, Ом	ТВ, 0С	ТДП, 0С

Результаты измерений температуры обмоток при помощи термопар сводят в табл. 2.

Таблицa 2

№ п/п	t, мин	ТВ, 0С	ТДП, 0С

По данным табл. 1 и 2 строят кривые зависимости Т =f (t), по которым графически определяются постоянные времени нагревания обмоток возбуждения и дополнительных полюсов.

       

       Задания для УИРС

1. Каковы причины нагревания электрической машины постоянного тока Исследуйте влияние каждой из этих причин на нагрев электрической машины.

2. Предложите новый способ непрерывного измерения температуры вращающихся частей электрической машины.

Вопросы для контроля и самопроверки

1. Какие части электрической машины постоянного тока являются наиболее напряженными в тепловом отношении?

2. Каким образом происходят процессы нагревания и охлаждения электрической машины, работающей в повторно-кратковременном режиме?

3. Что такое «постоянная времени нагревания электрической машины» ?

4. Каким образом изменяется постоянная времени нагревания электрической машины с возрастанием ее мощности?

5. Определить графическим способом постоянную времени нагревания электрической машины:

а) по кривой нагревания ее;

б) по кривой ее охлаждения.

6. Назовите классы изоляции электрических машин. Каковы допустимые превышения температуры для каждого класса изоляции?

7. Какими способами можно измерить температуру отдельных частей электрической машины?

8. Назовите способы охлаждения электрических машин постоянного тока.

9. Каким образом можно использовать криогенную технику для охлаждения электрических машин постоянного тока?

Рекомендуемая литература

Вольдек машины. Л.: Энергия, 1978.-832 с. Иванов-Смоленский машины. М.: Энергия, 1980. 938 с. , Попов машины железнодорожного транспорта. М.: Транспорт, 1986.-511 с. Копылов машины. Энергоатомиздат, 1986. 360 с. , Пиотровский машины. Ч. I. Л.: Энергия, 1972. 544 с.