Элементы САУ - однофазный синхронный гистерезисный двигатель: Методические указания к лабораторной работе по курсу ''Электромеханические устройства''

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Московский государственный институт электроники и математики (Технический университет)

Кафедра «Управление и информатика в технических системах »

АОС ЭЛЕМЕНТЫ САУ – ОДНОФАЗНЫЙ СИНХРОННЫЙ ГИСТЕРЕЗИСНЫЙ МИКРОДВИГАТЕЛЬ методические указания к лабораторной работе по курсу

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

Москва 2003

Составители: к.т.н., проф. Фалк Г.Б. к.т.н., доц. Денисова Т.С. к.т.н., доц. Ваганова М.Ю. ст. пр. Булакина М.Б. асп. Остроумов А.В. ст. Медникова Д.Л. Основным содержанием работы является обучение и контроль знаний по теме “Однофазный синхронный гистерезисный двигатель”, а также компьютерное исследование его характеристик. Для студентов III курса специальности “Управление и информатика в технических системах” – специальности 210100. УДК 65.011.56 Элементы САУ – однофазный синхронный гистерезисный двигатель: метод. указания к лаб. работе по курсу “Электромеханические устройства”/ Моск. Гос.институт электроники и математики; сост. Г.Б. Фалк, Т.С.Денисова, М.Ю.Ваганова, М.Б.Булакина, А.В.Остроумов, Д.Л.Медникова. М., 2003, 27с.

2

Введение В методических указаниях рассмотрен процесс работы автоматизированной обучающей подсистемы (АОС) по однофазным синхронным гистерезисным микродвигателям с комплексом лабораторного исследования. Под автоматизированной обучающей системой понимается функционально взаимосвязанный набор подсистем учебно-методического, информационного, математического и инженерно-технического обеспечения на базе средств вычислительной техники, предназначенный для оптимизации процесса обучения в различных его формах и работающий в диалоговом режиме коллективного пользования. В рамках автоматизированного обучения учебный материал часто оформляется в виде обучающей программы.

1. Описание предметной области по гистерезисным двигателям 1.1.Общие сведения и классификация гистерезисных двигателей Гистерезисными называют синхронные микродвигатели, вращающий момент которых создается вследствие явления гистерезиса при перемагничивании материала ротора. Основной гистерезисный момент в таком двигателе создается в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с магнитным полем ротора, возникающем за счет его намагничивания полем статора. Статор гистерезисного двигателя (ГД) практически не отличается от статоров обычных синхронных или асинхронных машин. В пазах статора располагается трехфазная или двухфазная (у однофазных конденсаторных двигателей) распределенная обмотка, создающая вращающееся магнитное поле машины. Принципиальное отличие гистерезисного микродвигателя от других типов синхронных микродвигателей в конструкции ротора. Ротор имеет цилиндрическую форму и выполнен из магнитотвердого материала, т.е. материала с широкой петлей намагничивания (гистерезиса). Ротор ГД делают сборным (см. рис. 1):

Рис.1. Ротор ГД Где: 1– кольцо из магнитотвердого материала; 2 – немагнитная или магнитомягкая втулка; 3 – запорное кольцо; 3

4 – вал. Для изготовления кольца 1 используют материалы типа виккалоя или альни с широкой петлей гистерезиса. Потери мощности на гистерезис в кольце 1 определяют, как будет показано далее, значение гистерезисного вращающего момента. При ограниченной мощности возбуждения оптимальное по намагничиванию использование магнитотвердого материала кольца и наилучшие энергетические показатели достигаются при определенном соотношении между толщиной кольца и диаметром ротора. Чрезмерное увеличение толщины кольца, сопровождающееся уменьшением индукции, приводит к уменьшению потерь мощности на гистерезис и момента, а также перерасходу дорогостоящего материала.[1] Возможны два режима работы гистерезисного микродвигателя: а) асинхронный, когда угловая скорость ротора ω2 меньше угловой скорости поля ω1; б) синхронный, когда ω2=ω1. Для выяснения природы гистерезисного момента рассмотрим физические процессы, происходящие в роторе описанной конструкции при асинхронном вращении, т.е. когда материал ротора непрерывно перемагничивается (см. рис. 2):

а

б

Рис.2. Физические процессы, происходящие в роторе ГД Будем считать, что оси м.д.с. F1 и потока Ф1 статора совпадают. В момент времени, когда вектор вращающего магнитного потока статора Ф1 занимает положение А (рис. 2 а), элементарные магнитики M1, M2 ротора ориентируются вдоль этого потока, и силы притяжения магнитиков к статору Fэм вращающего момента не создают. При перемещении потока статора в положение В в том же направлении будут поворачиваться и элементарные магнитики (см. рис. 2 б). Однако вследствие явления гистерезиса они будут запаздывать на угол γг. Силы взаимодействия Fэм, будут иметь тангенcальные составляющие Ft, которые и создадут гистерезисный момент асинхронного режима Мга. Возникающий гистерезисный момент пропорционален модулю векторного произведения пространственных векторов магнитного потока ротора Ф2, образованного элементарными

4

магнитиками , и м.д.с. статора F1, которые вращаются с одинаковой угловой скоростью со сдвигом на угол гистерезисного запаздывания γг.:

Мга = к F1 Ф2 sin γг.,

(1) где к – коэффициент, зависящий от параметров машины. Значение м.д.с. F1 и потока Ф1 при симметричном, например трехфазном, питании от угловой скорости ротора не зависят. Пространственный угол γг., на который поток ротора отстает от потока статора, также не зависит от угловой скорости ротора, и определяется той коэрцитивной силой Нс, при которой начинает изменяться направление поля элементарных магнитиков, т.е. определяется формой петли гистерезиса материала ротора. Соответственно не зависит от угловой скорости ротора и вращающий гистерезисный момент Мга. Однако механическая характеристика реального гистерезисного двигателя может не быть абсолютно жесткой. Это объясняется в основном двумя факторами: 1) В асинхронном режиме в материале ротора наводятся вихревые токи и создается асинхронный момент Мв от взаимодействия вращающегося поля с наведенными им вихревыми токами. Так как активное сопротивление ротора велико, то этот момент максимален при ω2 =0 и равен нулю при ω2 =ω1. Таким образом результирующий момент гистерезисного двигателя:

Мг=Мга+Мв

2)У однофазных конденсаторных гистерезисных микродвигателей изменение тока в конденсаторной фазе статора, связанное с изменением ω2 приводит к перераспределению напряжения между конденсатором и обмоткой. В результате этого изменяется форма вращающегося поля Ф1 и значение гистерезисного момента. Если емкость конденсатора обеспечивает создание кругового вращающегося поля в номинальном синхронном режиме, то в любом другом режиме поле будет эллиптическим и гистерезисный момент будет зависеть от степени эллиптичности поля Ф1. Рабочие характеристики гистерезисного двигателя в синхронном режиме не имеют принципиальных отличий от характеристик синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением в режиме недовозбуждения. Принципиальная недовозбужденность гистерезисного двигателя объясняется тем, что поле ротора является вторичным, наведенным токами статора при номинальном напряжении. Механическая характеристика идеального микродвигателя Мг=f(s), где sскольжение, показана на рис. 3, а (сплошная линия). Как видно, характеристика абсолютно жесткая и синхронный микродвигатель, в отличие от синхронных двигателей других типов, имеет собственный гистерезисный пусковой момент, равный моменту при синхронной угловой скорости ротора.

5

а

б Рис.3. Механические характеристики ГД

Механическая характеристика реальных гистерезисных двигателей не абсолютно жесткая (рис 3б). Причины изменения гистерезисного момента в функции угловой скорости ротора ω2 были описаны выше. В синхронном режиме магнитное поле статора и ротор вращаются с одинаковой угловой скоростью, и перемагничивание материала ротора не происходит. Магнитный поток ротора Ф2ост сохраняется вследствие остаточного магнетизма и вращается вместе с ротором с синхронной угловой скоростью. Поток тем больше, чем выше значение остаточной индукции Br. Микродвигатель работает как обычный синхронный двигатель с постоянными магнитами на роторе. Отличие состоит в том, что угол отставания оси поля ротора, принимаемый за его продольную ось, от оси поля статора гистерезисного микродвигателя γ не может превысить угла запаздывания γг, так как в противном случае начинается перемагничивание ротора. Следовательно, наибольшее значение момента Мг.с., развиваемое гистерезисным двигателем в синхронном режиме, равно Мг.а. При моменте сопротивления на валу, превышающем Мг.а., ротор выходит из синхронизма. У гистерезисных микродвигателей угол γг обычно не превышает 20-25 градусов. Из сказанного следует, что синхронный гистерезисный микродвигатель развивает вращающий момент и при асинхронной, и при синхронной угловой скорости ротора. Режим его работы зависит от значения и характера статического момента сопротивления Мст на валу ротора (см. рис. 3 а). Если во всем диапазоне скольжений от 1 до 0 момент сопротивления меньше гистерезисного момент, то двигатель работает в синхронном режиме. Ось поля ротора отстает от оси поля статора на угол γ, при котором соблюдается равновесие моментов Мг.с. = Мст. Если момент сопротивления меняется по прямой 2, то равновесие моментов наступит при скольжении Sа, соответствующем точке а, т.е. двигатель будет работать в асинхронном режиме неэкономично вследствие больших потерь на перемагничивание ротора, особенно при больших скольжениях. Синхронные гистерезисные микродвигатели обладают весьма ценными качествами. Они развивают большой пусковой момент и способны входить в синхронизм при большом моменте инерции нагрузки. Ротор гистерезисного двигателя входит в синхронизм плавно, без рывков, благодаря практически постоянному значению пускового гистерезисного момента на протяжении всего периода пуска от S=1 до S=0. Потребляемый гистерезисным двигателем ток незначительно (на 20-30%) изменяется при изменении режима работы от

6

короткого замыкания (пуск) до холостого хода, что позволяет эффективно использовать гистерезисные двигатели в повторно-кратковременном режиме. Гистерезисные микродвигатели просты по конструкции и надежны в эксплуатации. Энергетические показатели гистрезисного двигателя не особенно высоки, так как поток ротора является вторичным, т.е. наведенным рабочим потоком статора, и режим работы такого двигателя соответствует режиму синхронной машины с недовозбуждением. Однако у гистерезисных микродвигателей в синхронном режиме существует возможность изменения намагничивающего тока и соответственно к.п.д. и cos ϕ. Это можно проследить на примере зависимости тока I1 гистерезисного микродвигателя в синхронном режиме от напряжения возбуждения U1 при снижении последнего от значения U1п, при котором происходит пуск (U- образная характеристика на рис. 4). Значение возбужденной м.д.с. ротора определяется напряжением пуска U1п, а значение результирующего потока двигателя уменьшается пропорционально U1. Значит, при уменьшении U1/U1п возрастает роль м.д.с. ротора при создании результирующего магнитного поля и меняется значение и характер тока статора. Индуктивная намагничивающая составляющая (ϕ>0) тока статора и затем появляется размагничивающая емкостная составляющая (ϕ<0). Эта зависимость по физической сути аналогична U-образной характеристике синхронного микродвигателя с электромагнитным возбуждением. В рабочем синхронном режиме КПД и cosϕ можно повысить путём подмагничивания ротора с помощью кратковременного (на 2-3 периода) повышения МДС статора за счёт увеличения подводимого к статору напряжения. Подмагниченный ротор начинает больше участвовать в создании основного магнитного потока и тем самым разгружать обмотку статора от реактивного намагничивающего тока. Это соответствует смещению рабочей точки двигателя из А в В на характеристике (рис.4). Синхронные гистерезисные микродвигатели склонны к качаниям, т.е. колебаниям мгновенной скорости ротора при неизменной средней синхронной скорости. Качания могут возникнуть в результате резких изменений момента нагрузки на валу.

Рис.4. Зависимость I1 от U1 в синхронном режиме

7

2. Структура подсистемы обучения и контроля знаний по гистерезисным двигателям Структура автоматизированной обучающей подсистемы представлена на рис. 5. Обучающая среда состоит из трёх основных групп блоков, объединённых общими функциональными особенностями. • Группа ввода и коррекции информации; • Группа сервисных средств; • Группа управления работой обучающей среды; Группа ввода и коррекции информации состоит из: - графического редактора Paint Brush, который предназначен для ввода новых и корректировки уже существующих графических форм режимов обучения и контроля знаний. - командной оболочки Delphi, предназначенной для определения логики ввода графических форм режима обучения. - текстового редактора, предназначенного для коррекции старых и введения новых вопросов и ответов для режима контроля знаний. - данных подсистемы, которые представляют собой совокупность файлов с графической и текстовой информацией для режимов контроля и обучения. Группа сервисных средств состоит из: - блока контекстной помощи , который по требованию выдаёт справочную информацию; - блока управления интерфейсом, который выполняет следующие функции: 1. ввод информации с клавиатуры; 2. ввод информации при помощи мыши; 3. предупреждение пользователя о некорректных или фатальных действиях; Группа управления работой обучающей среды состоит из: - блока управления обучающей средой, который выполняет все диспетчерские функции в системе и определяет последовательность вызова подпрограмм, передачи промежуточных результатов между модулями и для вывода пользователю; - блока «режим обучения», который управляет подсистемой обучения, выбирает из базы знаний необходимый рисунок и выдаёт его на экран пользователя; - блока «режим контроля», который управляет режимом экспресс-контроля знаний; - блока «контроль с обучением», который управляет режимом контроля знаний с обучением; - блока «экспресс-контроль», который управляет режимом экспресс-контроля знаний; - блока «допуск к лабораторной работе», который управляет режимом допуска к контрольной работе; - блока «выполнение лабораторной работы», который управляет режимом выполнения лабораторной работы;

8

Рис.5. Структура автоматизированной подсистемы обучения и контроля знаний по гистерезисным двигателям.

3.Программные и технические средства для подсистемы Основными требованиями, предъявляемыми к программным средствам, предназначенным для реализации автоматизированных подсистем обучения и контроля знаний, являются: 1. стоимость; 2. мобильность (возможность использования на различных компьютерах); 3. сопоставимость времени, потраченного на изучение данного продукта и способов работы с ним и времени для достижения конечного результата; 4. возможность использования в дальнейшем. Также при разработке АОС перед программистом встает несколько специфических задач, связанных с тем, что это активная диалоговая система, постоянно взаимодействующая с пользователем. К основным таким задачам относятся:

9

- наглядность представления графического материала. Для этого требуется использовать среду, поддерживающую графические средства. - создание оконного интерфейса и системы меню, позволяющих управлять работой программы. Этот принцип реализуется с помощью объектно-ориентированного программирования, отличительной особенностью которого является возможность управлять ходом программы событиями, генерируемыми пользователем. С учетом вышесказанного, автоматизированная подсистема обучения по гистерезисным двигателям с лабораторным исследованием и контролем знаний была разработана на языке высокого уровня Delphi 3.0 и пакета для вывода растровых графических изображений PCX Photofinish 2.0 Delphi обладает широким набором возможностей, начиная от проектировщика форм и кончая поддержкой всех форматов популярных баз данных. Слайд-фильм сделан с помощью программы презентационной графики Microsoft Power Point 7.0, входящей в пакет Microsoft Office .

4. Методика обучения в АОС по гистерезисным двигателям 4.1. Методика обучения сводится к выбору: - вида управления процессом обучения (разомкнутый, замкнутый, смешанный); - вида информационных процессов (рассеянный, направленный); - типа и вида обучающей подпрограммы; Выделяют следующие виды управления процессом обучения: 1. Разомкнутое управление – управление познавательной деятельностью, которое осуществляется по заранее заданному алгоритму без диагностики промежуточных состояний процесса усвоения знаний. 2. Замкнутое управление – предполагает постоянное слежение за процессом познавательной деятельности и его коррекцию в случае выявленных отклонений. Обязательно наличие обратной связи от обучаемого к подсистеме автоматизированного обучения и постоянного текущего контроля хода обучения. 3. Смешанное управление – предполагает на различных этапах использование комбинаций замкнутого и разомкнутого видов управления. В разработанной обучающей подсистеме реализован подход со смешанным управлением. Для этого используются режимы «обучение» (разомкнутое управление) и «контроль знаний с обучением» (замкнутое управление). Все воздействия в ходе обучения осуществляются с помощью информационных процессов (ИП). При этом различают рассеянные и направленные ИП. В рассеянном ИП информация от источника направляется сразу ко всем обучаемым без учёта того, воспринимают они его или нет. В направленном ИП информация от источника направляется к конкретному обучаемому с учётом его индивидуальных особенностей. В рассматриваемой системе применено смешанное управление с рассеянным ИП.

4.2. Классификация обучающих систем Под автоматизированной обучающей системой в настоящей работе понимается такая программно-аппаратная система, которая организует и/или поддерживает процесс формирования (корректировки, закрепления) у пользователя-ученика знаний, опыта и 10

навыков из выбранной для обучения предметной области. В процессе обучения с применением АОС возникает необходимость в решении следующих основных задач. 1. Передача знаний от системы к обучаемому. 2. Репетирование, т.е. закрепление у обучаемого определённых навыков. 3. Контроль знаний и представление дополнительных сведений по запросу.

4.3. Типы подсистем Наиболее перспективными являются подсистемы, выделенные в таблице 1. Таблица 1. Типы подсистем

По назначению По режиму работы По отношению к ПО По способности изменять своё поведение По способу реализации пользовательского интерфейса По особенностям реализации

Информационно-обучающие Контролирующие Универсальные Однопользовательские Многопользовательские Инвариантные Ориентированные на один предмет Линейные Разветвлённые Настраиваемые Текстовые Графические Программно-аппаратные Программные

4.4. База знаний по гистерезисным двигателям База знаний по синхронным гистерезисным двигателям представлена на рис.6. Гистерезисный двигатель ГД Конструкция ГД статор

ротор

Физические процессы ГД Принцип действия

Основные уравнения

Характеристики ГД Рабочие характеристики

Механические характеристики

Особенности пуска

Рис.6. Структура базы знаний по гистерезисным двигателям 11

Под знаниями будем понимать совокупность сведений у индивидуума, общества или искусственной системы о мире (конкретной предметной области, совокупности объектов или объекте), включающих в себя информацию о свойствах объектов, закономерностях процессов и явлений, правилах пользования этой информацией для принятия решений. В зависимости от последовательности проработки учебной информации различают три вида обучающих программ (ОП): 1. Линейная ОП – это жёстко установленная последовательность кадров, одинаковая для всех обучаемых. 2. Разветвлённая ОП – это такая последовательность кадров, при которой обучаемые разной степени подготовленности продвигаются по обучающей программе различными путями: - при правильном ответе некоторые кадры могут быть пропущены; - при неправильном ответе предусматриваются дополнительные кадры; 3. Многоуровневая ОП включает в себя несколько уровней изложения одного и того же материала, предназначенных для обучаемых разной степени подготовленности. В АОС по гистерезисным двигателям выбрана методика обучения, характеризующаяся следующими параметрами: - вид управления процессом обучения – смешанный; - вид информационных процессов – рассеянный; - тип ОП – в соответствии с поставленной задачей в одной подсистеме реализовано два типа ОП – контролирующий и информационно-обучающий; - вид ОП – линейный.

5. Методика контроля знаний в АОС по гистерезисным двигателям. 5.1. подсистема контроля знаний включает в себя четыре раздела: 1. «полный контроль знаний» позволяет определить общий уровень подготовки по конструкции, принципу работы и характеристикам ГД. 2. «контроль знаний с обучением» даёт возможность проверить имеющиеся знания и устранить возникшие трудности, обратившись к подсказкам. 3. «экспресс-контроль знаний» рекомендуется для защиты лабораторных работ. 4. «допуск к лабораторной работе» используется для проверки уровня знаний, необходимых для выполнения данной лабораторной работы. Во всех режимах тестирования в качестве основной формы диалога «вопрос-ответ» используется метод выбора одного вопроса из нескольких.

6. Алгоритмическое обеспечение АОС по гистерезисным двигателям. Ниже приведены блок-схемы: - алгоритма работы автоматизированной обучающей среды по курсу гистерезисных двигателей (рис.7). - алгоритма порядка выполнения работы по ГД (рис.8).

12

13

14

Рис.7. Алгоритм подсистемы обучения и контроля знаний

15

16

17

Рис.8. Алгоритм блока лабораторного исследования ГД

7. Порядок работы АОС по гистерезисным двигателям 7.1. Установка системы на жёсткий диск Установка системы на жёсткий диск может быть произведена непосредственным копированием файлов.

7.2. Начало работы Загрузка системы Для запуска подсистемы обучения и контроля знаний необходимо : 1. Создать на выбранном диске директорию (например, GD). 2. Записать в нее файлы и разархивировать их: — main.rar — архив, содержащий основные файлы системы; 18

— film.rar — архив, содержащий файл со слайд-фильмом; — help.rar — архив, содержащий графические картинки подсказок к режиму контроля “Контроль с обучением”; — program.rar — архив, содержащий средства, необходимые для разработки и дополнения системы. Для начала работы необходимо запустить на выполнение файл … .exe. Об успешной загрузке системы свидетельствует появление рабочего экрана. Рабочий экран подсистемы разделён на три прямоугольные области: - меню команд; - рабочая панель экрана - строка статуса. Строка меню обеспечивает доступ ко всему дереву команд, выпадающим меню и диалоговым окнам (рис 9).

Рис.9. Структура меню подсистемы автоматизированного обучения по гистерезисным двигателям.

7.3. Работа в режиме обучения При активации меню “РЕЖИМ ОБУЧЕНИЯ” предоставляется доступ к слайд-фильму с теорией по теме “Гистерезисный двигатель” и списку литературы, которая может потребоваться при подготовке к тестированию.

7.4. Работа в режиме контроля знаний Режим контроля знаний выдаёт подменю с возможными режимами тестирования. В режиме Полный контроль знаний предлагается ответить на 26 вопросов по трём разделам. (см. раздел.9.1.) 19

Контроль знаний с обучением. Данный режим аналогичен режиму полного контроля знаний, но имеется возможность получения подсказки.

Экспресс-контроль знаний. В каждом разделе может задаваться от одного до трёх вопросов (до начала тестирования выбирается количество вопросов). Вопросы выбираются случайным образом по 3 разделам.

Допуск к лабораторным работам Необходимо дать по одному правильному ответу в каждом из четырёх разделов. 1. "Вопросы непосредственно по данной работе". 2. "Вопросы на знание входных и выходных параметров". 3. "Вопросы на знание диапазонов измерений и номинальных значений". 4. "Вопросы связанные с особенностями работы гистерезисного двигателя и снятием его характеристик".. Пятый раздел данного режима – графический, где предлагается ответить на один вопрос, выбранный случайным образом. В случае правильного ответа происходит допуск к выполнению работы. Полный список вопросов для допуска к лабораторной работе представлен в разделе 9.2.

7.5. Режим «Лабораторная работа» Выдается подменю с последовательностью выполнения лабораторной работы. СБОРКА СХЕМЫ : На экране появляется рабочее поле для сборки схемы исследуемого устройства. Если схема собрана верно, то Вы допускаетесь к выполнению опытов. Панель диалога “Сборка схемы” (рис.10) состоит из: 1. Рабочего поля для сборки схемы. 2. Панели с приборами и соединительными проводами. 3. Четырех кнопок “Проверить”, “Очистить”, “Справка”, “Выход”.

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВА: Выполняются последовательно два опыта. После выполнения опытов строка подменю «Лабораторная работа» будет недоступна. При выполнении каждого задания можно получить дополнительную информацию, обратившись к блоку контекстной справки. Окно выполнения опыта 1,2,3 представлено на рис.11,12,13. Выбрав кнопку «Справка», вы можете получить окно справочной системы, а также указания по проведению опыта. Выбрав кнопку «Закончить», вы прервёте выполнение текущего опыта и при этом убирается с экрана панель диалога «Снятие опытных данных». После этого можно приступить к выполнению следующего опыта. Нажимать кнопку «Закончить» необходимо только в том случае, если снято достаточно измерений. Выбрав кнопку «Печать», вы можете вывести текущие данные на принтер. Выбрав кнопку «График», вы увидите иллюстрацию теоретической зависимости расчётных данных. Выбрав кнопку «Очистить», вы выполните очистку рабочего поля текущей панели диалога. 20

Выбрав кнопку «Выход», вы прерываете выполнение лабораторной работы и возвращаетесь в основное меню подсистемы. Для того, чтобы потом продолжить выполнение лабораторной работы, нужно вновь пройти допуск и собрать схему.

Рис.10. Окно сборки схемы.

7.6. Работа со справкой СОДЕРЖАНИЕ В содержании указана структура меню подсистемы контроля знаний и методические указания. ИНДЕКС Индекс содержит алфавитный указатель. Любой элемент алфавитного указателя содержит гиперссылку. О ПРОГРАММЕ Содержатся сведения о версии, авторе и времени создания системы.

7.7. Завершение работы с АОС Для завершения работы с подсистемой необходимо выполнить опцию «Выход».

21

Рис.11. Окно выполнения опыта 1.

Рис.12. Окно выполнения опыта 2. 22

Рис.13. Окно выполнения опыта 3.

8. Выполнение лабораторной работы в АОС 8.1.Цель лабораторной работы Целью лабораторной работы является изучение конструкции синхронного гистерезисного двигателя и проведение опытов, необходимых для определения его основных параметров и характеристик. Алгоритм блока лабораторного исследования показан на рис. 8.

8.2. Порядок выполнения лабораторной работы 1. Ознакомиться с правилами работы раздела лабораторного исследования. 2. Ознакомиться с конструкцией синхронного гистерезисного микродвигателя, записать его технические данные и технические данные измерительных приборов, используемых в работе. 3. Получить допуск для лабораторного исследования. 4. Произвести опыты по определению рабочих характеристик двигателя в синхронном режиме. 5. Произвести опыты по определению механической характеристике двигателя. 6. Произвести опыты по определению зависимости I1 и cosϕ от соотношения намагниченности ротора и результирующего магнитного потока. 7. Произвести необходимые расчеты и построить характеристики. 23

8. Оформить отчет по работе. 8.3.

Допуск к лабораторной работе

Необходимо дать по одному правильному ответу в каждом из четырёх разделов. (см.п. 9.2.)

8.4. Выполнение лабораторной работы Пояснения к работе. В настоящей работе исследуется однофазный конденсаторный синхронный гистерезисный микродвигатель. Для проведения исследования собирается рабочая схема, представленная на рис.10. На реальном стенде питание двигателя осуществляется от однофазной сети переменного тока через автотрансформатор, посредством которого регулируется напряжение на выводах двигателя. Момент нагрузки на реальном стенде создается нагрузочной машиной (НМ), в качестве которой используется микродвигатель постоянного тока, работающий в режиме торможения противовключением. Валы исследуемого микродвигателя и нагрузочной машины соединены механически. Электромагнитный момент, развиваемый нагрузочной машиной, направлен встречно к электромагнитному моменту исследуемого двигателя, т.е. является моментом нагрузки. Изменяя реостатом Rн ток Iнм якоря НМ, можно менять этот момент, т.к. Мнг=КмIнм. Расчет момента производится путем умножения измеряемого тока Iнм якоря НМ на коэффициент пропорциональности Км, который дается в паспорте реального стенда. Измерение частоты вращения ротора ω2 на реальном стенде производится цифровым тахометром (ЦТ), на вход которого поступает сигнал от бесконтактного датчика скорости. Задание 1. 1.Соберите схему исследования гистерезисного двигателя (рис.10). сборка схемы производится поэлементно. Измерительные приборы, включаемые в схему, следует выбирать по номинальным данным гистерезисного двигателя из элементарной базы, находящейся на экране справа. Необходимый элемент отмечается нажатием левой кнопки мыши и переносится на рабочее поле. По окончании сборки схемы на экране появляется собранная схема и можно переходить к исследованию ГД. 2. Внесите в таблицу2 (рис. 11) данные для построения рабочих характеристик ГД. При задании данных в каждом исследуемом диапазоне следует задавать 5-6 точек. В опыте 1 при задании точки Iнм, автоматически получаем P1 и I1. По полученным данным произвести расчёты для построения рабочих характеристик Р1, Р2, I1, КПД, cosϕ=f(M) при U1=U1ном, ω2=ω1. Здесь: Р1- активная электрическая мощность статора; P2- механическая мощность на валу ротора (Р2=Мω2 ); I1-ток статора;

24

КПД=Р2/Р1; cosϕ- коэффициент мощности cosϕ=P1/U1*I1; M-момент на валу (М=0÷Мвых). Момент выхода из синхронизма Мвых является максимально возможным моментом двигателя в синхронном режиме. Опытные и расчетные данные свести в таблицу 2. Таблица 2. Iнм A

Опытные PI II дел мА

M Нм

PI Вт

Расчётные P2 КПД Вт

cosϕ

3.Внести в таблицу 3 (рис. ) данные для построения механической характеристики двигателя М=f(ω2) при U1=U1ном (ω2 =0÷ω1). Механическая характеристика - это зависимость частоты вращения ротора ω2 от момента нагрузки на валу Мнг при неизменном напряжении возбуждения ω2=f(Мнг). На реальном стенде двигатель выводится в синхронный режим при номинальном напряжении возбуждения, включается нагрузочная машина НМ и повышается её ток якоря. По тахометру контролируется частота вращения ротора. Момент выхода из синхронизма Мвых принимается за первую точку механической характеристики. Продолжая увеличивать ток НМ, можно измерить значения вращающегося момента гистерезисного двигателя при различных значениях ω2. В опыте 2 задаётся n2, автоматически получаются значения Iнм и I1, необходимо рассчитать ω2 и M и занести данные в таблицу 3. Таблица 3. Опытные Расчётные M n2 Iнм II ω2 об/мин А мА рад/с Нм На основе данных таблиц 2 и 3 рассчитать: кратность пускового момента Кмп=Мп/Мном; где Мп-пусковой момент (при ω2 =0); кратность пускового тока К=In/Iном; где In-пусковой ток (при ω2 =0); кратность момента выхода из синхронизма Квых=Мвых/Мном. 4. Ввести данные в таблицу 4 (рис. ) для определения зависимости I1 и cosϕ от соотношения намагниченности ротора и результирующего магнитного потока I1; cosϕ=f(U1/U1n) при ω2 =ω1, M=0.

25

На реальном стенде пуск двигателя осуществляется до ω2 =ω1 при напряжении возбуждения U1n=1,1Uном. Затем напряжение возбуждения постепенно снижается до 0,6 U1ном, и при этом снимаются опытные данные. Таблица 4. Опытные Расчётные U1 II PI PI U1/U1n cosϕ В мА дел Вт 8.5.Содержание отчета о лабораторной работе. 1. Теоретические сведения и расчетные формулы. 2. Технические данные машины и измерительных приборов. 3. Электрические схемы опытов 4. Таблицы №2, №3, №4. 5. Графики зависимостей: P1; P2;КПД; cosϕ=f(M) по таблице 2, М=f(ω2) по таблице 3, I1; cosϕ=f(U1/U1n) по таблице 4. 6. Выводы по результатам эксперимента. 7. Библиографический список. 9. Перечень вопросов 9.1. Перечень вопросов для защиты лабораторной работы 1. Какие преобразования энергии происходят в ГД? 2. Из каких материалов выполняется магнитная система ГД? 3. Тип статорной обмотки. 4. Величина пространственного угла между осями обмоток исследуемого ГД 5. Материал обмотки ГД. 6. Тип ротора ГД. 7. Материал кольца ротора ГД. 8. За счёт чего создаётся поле ротора. 9. Формула электромагнитного гистерезисного момента в асинхронном режиме. 10. За счёт чего развивается электромагнитный гистерезисный момент. 11. Какое поле создаётся обмоткой статора. 12. Уравнение равновесия моментов на валу.(в синхронном/асинхронном режимах) 13. Формула угловой скорости поля статора. 14. Соотношение угловых скоростей ротора и поля статора в синхронном режиме. 15. Вид механической характеристики. 16. Характеристика нагрузки, при которой ГД выходит на синхронный (на асинхронный)участок работы.

26

17. Вид характеристик cosϕ=f(Uy) и Iв=f(Uy) ГД. 9.2. Вопросы для допуска к лабораторной работе 1. Формула частоты вращения ротора ГД в синхронном режиме. 2. Число фаз питающего напряжения. 3. Величина Uном , подаваемого на обмотку возбуждения. 4. С помощью чего на валу двигателя создаётся момент нагрузки. 5. Что используется на входе ГД для подачи и регулирования напряжения. 6. Частота питающего напряжения ГД. 7. Чем контролируется скорость ротора ГД. 8. Предел изменения угловой скорости ротора ГД в асинхронном режиме работы. 9. Величина угловой скорости ω2 и момента нагрузки при снятии характеристики I1=f(U1/U1н). 10. Величина напряжения U1 при наблюдении за качанием ротора. 11. Скорость ротора ω2, при которой измеряется пусковой момент. 12. Напряжение питания U1, при котором снимается механическая характеристика и рабочие характеристики. 13. Условия качания ротора ГД. 14. Условия создания кругового вращающегося поля на статоре. 15. Уравнение механической характеристики. 16. На основании чего определяется cosϕ. 17. Для чего нужна ёмкость в цепи возбуждения статора. 18. Какую величину необходимо менять для снятия механической характеристики ГД в асинхронном режиме. 19. Формулы кратности пускового момента и момента выхода из синхронизма. 20. Формула для cosϕ. 21. Выражение для синхронной угловой скорости магнитного потока статора. 22. В каких пределах меняется напряжение питания U1 при снятии характеристики I1=f(U1/U1n). 23. В каких пределах меняется момент нагрузки Мнг на валу двигателя при снятии рабочих характеристик. 24. Под каким номером на схеме показан тот или иной элемент. Литература. 1.Арменский Е.В., Фалк Г.Б. Электрические микромашины. М.:Высшая школа, 1985. 2.Брускин Д.Э. и др. Электрические машины. М.:Высшая школа, 1979.

27

28