Організація і методика проведення лабораторних занять

В.1 Правила внутрішнього розпорядку в навчальній лабораторії “Теорії електропривода”

На першому занятті в лабораторії “Теорії електропривода” студенти детально вивчають на робочих місцях правила внутрішнього розпорядку і інструкції з техніки безпеки, які вони повинні суворо виконувати протягом роботи в лабораторії.

Правила внутрішнього розпорядку в лабораторії складаються з таких основних вимог:

1. Дo роботи в лабораторії допускаються особи, які засвоїли правила з техніки безпеки та пройшли інструктаж з відповідною відміткою про це в спеціальному журналі з техніки безпеки.

2. Лабораторні роботи виконують за розкладом навчальних занять. Відпрацювання пропущених лабораторних робіт здійснюється за графіком, що узгоджений з деканатом.

3. Лабораторні роботи виконуються бригадами (2-4 чоловіки).

4. До роботи в лабораторії допускаються студенти, які виконали і захистили попередню лабораторну роботу. Перед початком занять викладач шляхом опитування визначає підготовку студента до поточної роботи. Непідготовлені студенти допускаються до виконання лабораторної роботи лише після додаткової підготовки безпосередньо в лабораторії.

5. Звіт про проведену лабораторну роботу складається один на бригаду і захищається перед черговим заняттям. Оцінка за захищену лабораторну роботу заноситься в журнал обліку виконаних лабораторних робіт. Звіт захищеної роботи не повертається.

6. При підготовці до лабораторної роботи студент зобов’язаний ознайомитись з технічними даними електричних машин, приладів і способами їх вмикання, перевірити відповідність меж вимірювання приладів очікуваним значенням вимірюваних величин і зібрати електричну схему дослідної установки.

7. Самовільне (без перевірки викладачем) вмикання зібраної схеми в електричну мережу категорично забороняється.

8. Відповідальність за можливі наслідки вмикання неперевіреної схеми несуть всі члени бригади.

9. При перемиканнях потрібно обов’язково знеструмити схему. Вмикати змінену схему тільки після перевірки її викладачем.

10. У випадку неполадок у схемі (перегорання запобіжників та інш.) звертатись за допомогою до викладача.

11. У випадку виходу з ладу обладнання через недотримання даних правил складається акт і передається ректору через деканат.

12. В лабораторії забороняється палити, смітити, голосно розмовляти, знаходитись у верхньому одязі, без необхідності переходити з місця на місце і захаращувати робочі місця сторонніми предметами. Забороняється присутність сторонніх осіб.

13. Лабораторна робота вважається завершеною тільки тоді, коли виконані всі вимірювання, проведені необхідні розрахунково-експериментальні роботи, побудовані графіки, передбачені програмою роботи і разом з протоколом випробувань схвалені викладачем, розібрана електрична схема, прилади і апарати приведені в належний стан та прибране робоче місце.

В.2 Інструкція з техніки безпеки в лабораторії “Теорії електропривода”

Студентам, що виконують лабораторні роботи, пов'язані з використанням електроенергії, слід пам’ятати, що уражає людину не напруга, а струм, який залежить від рівня прикладеної до тіла людини напруги і опору тіла людини. Струм (особливо змінний) порядку 15 мА викликає в організмі людини неконтрольоване скорочення м’язів, при якому сама людина вже не може зняти руку з струмопроводу. Струм 25-50 мА поширюється на м'язи грудної клітки, які забезпечують процес дихання. Струм 100 мА смертельно небезпечний для організму. Опір тіла людини може змінюватись від сотень тисяч Ом до 800-600 Ом, і тоді небезпечне ураження струмом може відбутись вже при напрузі 40 В. Напруга 220 В, а тим паче 380 В складає серйозну небезпеку ураження людини струмом.

Студенти, які працюють в лабораторії, повинні суворо дотримуватись таких вимог з техніки безпеки:

1. Починаючи роботу, впевнитись в тому, що на лабораторному стенді відсутня напруга, тобто рубильники, автомати, пакетні вимикачі, що живлять схему вимкнені.

2. Складання, розбирання чи зміну схеми здійснювати тільки з дозволу викладача.

3. Забороняється вмикати зібрану чи змінену схему без попередньої перевірки її викладачем.

4. Забороняється торкатися струмопровідних частин схеми та металевих частин незаземлених електричних апаратів, якщо на панелі є напруга.

5. Всі операції виконувати тільки однією рукою. Слід уникати торкання якою-небудь частиною тіла металевих або вологих предметів. Небезпечно, наприклад, торкатись металевої огорожі електричних машин, водопровідних труб, тpyб центрального опалення, знаходитись на мокрій або цементній підлозі.

6. Перед вмиканням напруги впевнитись в тому, що всі регулювальні апарати знаходяться у вихідному положенні. Після вимкнення напруги необхідно негайно встановити на всіх регулювальних апаратах вихідне положення.

7. Перед ввімкненням напруги попередити про це всіх учасників роботи, і впевнитись, що нікому з них не загрожує небезпека потрапити під напругу.

8. Якщо при торканні до будь-якої частини обладнання відчувається напруга, необхідно припинити роботу, вимкнути живлення стенда і викликати викладача.

9. Якщо перед початком чи під час роботи буде виявлена несправність обладнання, слід припинити роботу, вимкнути напругу і повідомити викладача про неполадки. Усувати пошкодження власними силами забороняється.

10. При роботі з електричними колами змінного струму, що містять конденсатори, бути особливо обережним, оскільки можливе значне зростання напруги на окремих ділянках кола в порівняні з напругою джерела струму, внаслідок можливої появи резонансу напруги.

11. Уникати торкання частин машин, що обертаються. Забороняється виконувати будь-які роботи на зворотній стороні панелі керування і заходити за огорожу електричних машин.

12. Забороняється починати виконувати чергову роботу без отримання допуску у викладача.

13. Забороняється залишати лабораторію без дозволу викладача.

14. Забороняється залишати без нагляду установки, приведені в робочий стан.

15. Перед початком роботи слід розподілити між членами бригади обов'язки, визначити керівника бригади для забезпечення дотримання правил техніки безпеки.

16. Рекомендується зупиняти роботу обладнання, коли виникає необхідність обговорити подальший план роботи.

17. Забороняється переносити прилади з однієї установки на іншу, залишати на підлозі невикористані провідники, з'єднувати пошкоджені провідники для подальшого використання.

18. Всі роботи на головних розподільних щитах, з'єднання машин в агрегати і їх роз’єднання виконується тільки обслуговуючим персоналом. Забороняється виконувати роботи на машинах без захисних кожухів.

19. Після пропрацювання даної інструкції на першому лабораторному занятті всі студенти зобов'язані розписатись в лабораторному журналі з техніки безпеки.

20. Без вивчення інструкції і відмітки про це в журналі викладачем категорично забороняється допускати студента до виконання лабораторних робіт.

В.3 Вимоги до звіту з лабораторної роботи

1. Звіт повинен бути акуратно складений, на аркушах формату А4 з рамками. На титульному листі вказується: номер та назва роботи, дата проведення експерименту, шифр групи та номер бригади, а також прізвища та ініціали всіх членів бригади.

2. До складу звіту входять: мета роботи, програма досліджень, паспортні дані електричних машин, схема лабораторної установки, результати досліджень та розрахунків, опорні формули для розрахунків, необхідні побудовані характеристики з відповідним їх аналізом та загальні висновки.

3. Схема лабораторної установки виконується з дотриманням вимог ДСТУ.

4. Результати досліджень та розрахунків зводяться в таблиці.

Таблицям присвоюється порядковий номер. Наприклад:

Таблиця 1

	Дані досліду			Результати розрахунків
	Ік ,А	U,B	n, об/хв	Р, кВт	Ря=І2Rя	Р0, кВт	Р2, кВт	МВ, Нм	М, Нм

5. Після таблиць наводяться опорні формули для розрахунків в такому ж порядку як і стовпці таблиці.

6. Побудову графіків виконувати на міліметровому папері, суворо дотримуючись масштабу. Бажано при нанесені декількох графіків в одних координатних осях користуватися для наочності кольоровими олівцями. Криві проводити тільки за допомогою лекала. Графіки повинні мати номери та відповідні назви.

7. Дозволяється проводити розрахунки та побудови характеристик в спеціальних пакетах прикладних програм на ЕОМ.

8. Розрахункові або експериментальні точки, що збігаються з кривою, обводяться невеликим колом, точки, що з якихось причин не лежать на криві, помічаються хрестиком.

9. Звіт з лабораторної роботи складається один на бригаду. Захист лабораторної роботи здійснюється в складі бригади. Якщо з якихось причин студент захищає лабораторну роботу самостійно, то він має право представити копію звіту.

10. Звіт з лабораторної роботи повинен відповідати вимогам, що висуваються до звітів з промислових і наукових досліджень електроустановок. Звіти, що не відповідають даним вимогам, неповні за обсягом чи неохайно оформлені до захисту на приймаються.

В.4 Методичні вказівки з експериментального отримання механічних характеристик

Механічна характеристика електропривода – це залежність швидкості електропривода від електромагнітного моменту або залежність швидкості від моменту на валу двигуна. Розрізняють природну і штучні характеристики електропривода.

Природною механічною характеристикою називається залежність =f(М) (n=f(М)) або залежність =f(М_в) (n=f(М_в)), при номінальних параметрах мережі живлення, нормальній схемі ввімкнення і за відсутності додаткових опорів в колі його живлення.

Штучною механічною характеристикою називається залежність =f(М) (n=f(М)) або залежність =f(М_в) (n=f(М_в)), при параметрах мережі, що відмінні від номінальних, а також за наявності додаткових опорів в колі його живлення або при вмиканні двигуна за спеціальними схемами.

На практиці, при аналізі режимів роботи електропривода частіше користуються залежністю n=f(М_в), оскільки ця характеристика в більшості випадків може бути виражена аналітично.

Відомо, що момент на валу двигуна М_в відрізняється від електромагнітного моменту на величину моменту втрат обертання М, що складаються з втрат на тертя, вентиляційних і магнітних втрат.

Якщо електропривод працює в двигуновому режимі, втрати обертання зменшують момент на валу, оскільки M - гальмівний момент. При роботі в генераторному режимі момент втрат обертання M за знаком збігається з гальмівним моментом генератора, збільшуючи сумарний момент на валу.

М_в=ММ (1)

Якщо зобразити характеристику n=f(М) (рис.1) двигуна незалежного (паралельного) збудження (а) і асинхронного двигуна (б), а потім відняти або додати М, отримаємо механічну характеристику n=f(М_в), яка при n= 0 буде мати розрив неперервності, тобто буде ламаною.

Таким чином, при n=0 момент зазнає стрибка на 2М. Зважаючи на те, що M=M_хх., швидкість реального холостого ходу буде нижчою швидкості ідеального холостого ходу.

В двигуновому режимі момент втрат обертання покривається зі сторони мережі, а в гальмівному режимі – з боку валу.

Електромагнітний момент більш повно характеризує електромеханічні властивості машини. За характеристикою можна аналізувати режими роботи електропривода при автоматичному переході з двигунового режиму в режим противмикання і назад. Момент на валу двигуна є цікавим з точки зору забезпечення двигуном вимог робочого механізму. Тому студенти повинні оволодіти методикою отримання n=f(М), n=f(М_в).

Студенти частіше будуть працювати з характеристикою n=f(М). При проведенні експериментів з отримання механічних характеристик доцільно проводити відлік за приладами в послідовності, що відповідає графам таблиці. Запис показів слід вести з точністю до половини самої дрібної поділки, що позначена на шкалі приладу. Число експериментально отриманих точок повинно бути достатнім для побудови кривої. Так, при отриманні механічних характеристик, близьких до лінійних достатньо для кожного режиму знайти 4-5 точок. Для механічної характеристики асинхронного двигуна особливо детально необхідно будувати ділянку поблизу критичного моменту, тому необхідне число точок зростає до 6-8. Число необхідних вимірів ще більше зростає при дослідженні деяких спеціальних схем, наприклад, для отримання характеристики асинхронного двигуна при несиметричному живленні і несиметричному вмиканні. В цьому випадку необхідно достатньо повно дослідити ділянку характеристики для швидкостей, близьких до половини синхронної.

При визначенні інтервалу між точками відліку слід орієнтуватись на величину, яка змінюється більш різко. Наприклад, для жорсткої частини механічної характеристики асинхронного двигуна за основу береться момент; для м’яких, крутоспадних характеристик – частота обертання.

Для раціональної організації роботи, при експериментах слід точно визначити функції кожного з членів бригади. При виконанні наступної лабораторної роботи призначається новий керівник бригади і відповідно змінюються функції решти членів бригади.

В.5 Навантажувальні пристрої, які використані в лабораторії “Теорії електропривода”

Як навантажувальний пристрій в лабораторії застосовується гальмівний генератор постійного струму незалежного збудження, що ввімкнений на опір, тобто електромеханічний пристрій (рис.2).

Цей спосіб створення навантаження на валу досліджуваного двигуна за допомогою машини постійного струму – найбільш зручний і простий. Він дозволяє проводити досліди як в двигуновому, так і в гальмівному режимах. Однак енергія, що споживається при цьому двигуном з мережі, безповоротно втрачається, перетворюючись в тепло.

Рисунок 2 – Схеми навантажувального генератора

Досліджуваний двигун М (рис.2) механічно з’єднують з навантажувальним генератором постійного струму G, Збудження цієї машини незалежне, регулюється реостатом R_з, що ввімкнений за потенціометричною схемою як дільник напруги.

Схеми ввімкнення якоря навантажувального генератора G будуть різними в залежності від режиму роботи досліджуваного двигуна.

В двигуновому режимі досліджуваного двигуна М якір генератора G замикається через амперметр А1 на навантажувальний опір R_н. Змінюючи R_н, можна створити різне навантаження на вaлу досліджуваного двигуна M. Всі точки механічної характеристики досліджуваного двигуна можуть бути отримані лише при визначеному взаємному розташуванні їх з механічними характеристиками генератора G (дзеркальним відображенням характеристик навантажувального генератора, що працює в режимі динамічного гальмування, відносно осі ординат).

Спільні механічні характеристики двигунів і навантажувального генератора показані на рис.3. 3 рисунка видно, що механічні характеристики генератора, котрий працює на опір в режимі динамічного гальмування, є прямими лініями, які виходять з початку координат. Механічні характеристики 1,2,3,4 і є дзеркальним відображенням цих характеристик відносно осі ординат.

Для механічної характеристики асинхронного двигуна М стійка робота можлива у всіх точках робочої ділянки характеристики 1,2,3 і т.д. Те ж саме можна сказати і про характеристику І двигуна незалежного збудження, стійка робота тут можлива в усіх точках 1,2,3,4 і т.д.

Для випробування двигуна М в гальмівному режимі якір навантажувального генератора G через амперметр А1 і пусковий опір вмикається в мережу (див.рис.2,б). Як регульоване джерело постійної напруги в лабораторії використовується мостовий перетворювач, що живиться від автотрансформатора (рис.4). При цьому навантажувальний генератор працює як двигун постійного струму незалежного збудження, що обертає досліджуваний двигун М.

Частоту обертання навантажувального генератора G можна регулювати різними способами.

В лабораторії “Теорії електропривода” швидкість генератора G, який працює в двигуновому режимі, регулюється зміною підведеної до нього напруги за допомогою перетворювальної установки (рис.4).

При роботі досліджуваного двигуна М в генераторному режимі частота ідеального холостого ходу навантажувального генератора G, що працює як двигун, повинна бути більшою, ніж швидкість ідеального холостого ходу (або синхронна швидкість) досліджуваного двигуна.

Електропостачання лабораторних стендів здійснюється від розподільного щита згідно з схемою зображеною на рис. 5

Рисунок 5. – Схема електропостачання розподільного щита лабораторії

В.6 Методичні вказівки з розрахунку моменту на валу досліджуваного двигуна (ДД)

Для того, щоб отримати механічну характеристику ДД постійного струму необхідно виконати додаткові розрахунки і досліди, оскільки при проведені лабораторних робіт знімаються електромеханічні характеристики n=f(I) двигунів постійного струму.

Електромагнітний момент ДД

(2)

або

(3)

де Р - електромагнітна потужність двигуна, кВт;

n - частота, що відповідає Р, об/хв.

В свою чергу, електромагнітна потужність двигуна, кВт:

(4)

де U - напруга на якорі двигуна, В;

І - струм якоря, А;

R_Я - опір обмотки якоря, Ом.

Момент на валу досліджуваного двигуна визначається за формулою (1); момент втрат обертання ДД може бути знайдений розрахунковим або дослідним шляхом.

В двигуновому режимі момент на валу визначається за формулою:

М_в=М-М (5)

Електромагнітний момент додатний, а момент втрат обертання від’ємний. В генераторному режимі електромагнітний момент М і момент втрат обертання від’ємні:

M_в = -М - М = -(М + М). (6)

Зручніше, коли залежність М = f(n) отримана раніше. Якщо цієї залежності немає, її можна знайти дослідним шляхом. В цьому випадку між ДД і навантажувальним генератором (НG) необхідно передбачити роз'ємну муфту, яка дозволяє швидко роз’єднати ці машини, виконати дослід холостого ходу для ДД при різних швидкостях обертання і побудувати залежність Р_об=f(n), розрахувати за нею залежність М=f(n). Потужність втрат обертання для кожного значення швидкості знаходиться за виразом, кВт:

(7)

де U₀, I₀- напруга і струм холостого ходу.

Значення М можна розрахувати за паспортними даними (за відсутністю заводських і дослідних даних). При цьому наближено можна вважати М=const.

Для двигуна незалежного збудження потужність втрат обертання визначається за формулою, кВт:

(8)

Момент втрат обертання ДД

(9)

або

(10)

Для двигуна змінного струму отримання механічної характеристики n=f(M_в), як і в дослідах з двигунами постійного струму, пов’язане з необхідністю проведення додаткових дослідів і розрахунків. В такому випадку при дослідах змінюються залежності швидкості ДД від струму якоря навантажувального генератора для незмінного струму збудження , що дорівнює номінальному, оскільки визначення моментів на валу машини постійного струму простіше, ніж машин змінного струму.

В запропонованій методиці розрахунку потужності і моменту на валу НG досліджуваного двигуна слід чітко розмежувати характер машини постійного струму, що застосовується як навантажувальний пристрій.

В лабораторії “Теорії електропривода” за навантажувальний пристрій приймають як генератори, так і двигуни постійного струму, що працюють в генераторному режимі. Встановити характер, використаних як НG постійного струму, можна за паспортними даними машини: якщо Р_ном=U_номI_ном, то за навантажувальний пристрій приймають генератор постійного струму, якщо ж Р_ном<U_номI_ном, то використовують двигун постійного струму. З врахуванням викладеного розраховують потужність і момент на валу ДД і будують залежність n = f(M_в).

Розглянемо перший випадок, коли за навантажувальний пристрій приймається генератор постійного струму незалежного збудження. Номінальне значення потужності на валу НG, а отже і ДД визначають за формулою:

(11)

де U_ном - номінальна напруга HG, В;

I_ном - номінальний струм, А;

_ном – ККД навантажувального генератора.