Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ по разделу «Машины постоянного тока». Кононенко К.Е., Волчихин В.И

ФГБОУ ВПО

Воронежский государственный технический университет

Кафедра электромеханических систем и электроснабжения

Методические указания

к выполнению лабораторных работ

по разделу «Машины постоянного тока» дисциплины

«Электрические машины» для бакалавров направления

13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»,

профиля «Электромеханика» очной и заочной

форм обучения

Воронеж 2015

Составители: д-р техн. наук К.Е. Кононенко,

канд. техн. наук В.И. Волчихин,

канд. техн. наук Ю.В. Писаревский,

канд. техн. наук А.Ю. Писаревский

УДК 621.313.32(07)

Методические указания к выполнению лабораторных работ по разделу «Машины постоянного тока» дисциплины «Электрические машины» для бакалавров направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиля «Электромеханика» очной и заочной форм обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. К.Е. Кононенко, В.И. Волчихин, Ю.В. Писаревский, А.Ю. Писаревский. Воронеж, 2015. 44 с.

Методические указания включают 4 лабораторные работы: одну по устройству и принципу действия машины, две по испытанию генератора и одну по испытанию двигателя. Содержат краткие теоретические пояснения, контрольные вопросы для письменного и устного ответов, список литературы, рекомендованной для изучения.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word и содержатся в файле Машины постоянного тока (бакалавриат).doc.

Табл. 13. Ил. 25. Библиогр.: 4 назв.

Рецензент канд. техн. наук, проф. Г.А. Пархоменко

Ответственный за выпуск зав. кафедрой канд. техн. наук, доц. В.П. Шелякин

Издаётся по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015

Общие положения

Лабораторные занятия являются одним из важнейших элементов учебного процесса.

Выполнение лабораторных работ по курсу «Электрические машины» для студентов направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» имеет своей целью закрепление и углубление теоретических сведений, излагаемых в лекционных курсах и учебных пособиях.

При выполнении лабораторных работ студенты знакомятся с конструкцией, принципом действия и характеристиками электрических машин, с их условными обозначениями в электрических схемах, с правилами выполнения электрических соединений.

Объём каждого лабораторного занятия рассчитан на 24 академических часа работы в лаборатории и на 1,52 часа домашней работы.

Для выполнения каждой лабораторной работы необходима предварительная подготовка.

Предварительная подготовка включает в себя следующее:

• изучение соответствующих разделов по литературным источникам и конспекту лекций;

• тщательное ознакомление с содержанием лабораторной работы по методическим указаниям, усвоение её целевого назначения и программы;

• подготовку таблиц для занесения результатов испытаний;

• ознакомление с правилами оформления экспериментальных данных, с правилами построения графических зависимостей.

Студент допускается к выполнению лабораторной работы после представления преподавателю отчёта за предыдущую работу и при удовлетворительных ответах на контрольные вопросы для домашней подготовки.

На первом лабораторном занятии студент должен изучить инструкцию по технике безопасности и расписаться в журнале инструктажа по технике безопасности.

Перед началом выполнения лабораторной работы студент должен на рабочем месте подробно ознакомиться с необходимой схемой соединения, записать паспортные данные электрических машин, аппаратов, измерительных приборов и т.д. и только после этого приступить к сборке схемы. Сборку электрической схемы необходимо производить без напряжения при отключенных выключателях со стороны питающей сети. Рекомендуется сначала собирать силовую сеть, а затем цепи управления и сигнализации. Собранная схема проверяется преподавателем, после чего даётся разрешение на ее включение.

Лабораторная работа выполняется в том порядке, какой указан в методических указаниях на выполнение лабораторной работы. Результаты измерений заносятся в соответствующие таблицы каждым членом бригады. По полученным данным выполняются необходимые предварительные расчеты и строятся графики.

Черновые материалы представляются преподавателю, и после подписи работа считается законченной.

После выполнения полного объёма лабораторной работы с разрешения преподавателя схема разбирается, соединительные провода укладываются в отведенное место.

Окончательный отчет по выполненной лабораторной работе составляется во внеурочное время. Вычерчивание графических зависимостей и схем в отчёте от руки, без применения чертёжных принадлежностей не допускается.

Отчёт должен снабжаться титульным листом, на котором указывается: наименование института, кафедры, лаборатории, номер и название работы, шифр группы, фамилия и инициалы студента.

Расчеты должны производиться в системе СИ с необходимыми пояснениями. Схемы и графики должны выполняться в соответствии с ЕСКД. Если в одних координатных осях строится несколько графиков в функции одной независимой переменной, то нужно строить дополнительные оси параллельно основной и каждую со своей масштабной шкалой.

В заключение студент в письменном виде даёт ответы на вопросы, поставленные в описании к данной лабораторной работе.

Отчет подписывается исполнителем, указывается дата оформления отчета.

После выполнения лабораторной работы и представления по ней правильно оформленного отчета студент отчитывается за проделанную работу.

Студенты, у которых все отчёты приняты, получают зачет по лабораторному курсу.

Правила техники безопасности

1. При подведенном к стенду напряжении запрещается прикасаться к проводникам схемы и к металлическим частям стенда.

2. Приступая к работе, внимательно ознакомьтесь с заданием, правилами безопасности работ, оборудованием, проверьте исправность ограждений и предохранительных устройств.

3. Не загромождайте свое рабочее место оборудованием и аппаратурой, не относящимися к выполняемой работе, так как это может явиться причиной несчастного случая.

4. При работе в лаборатории выполняйте только то задание, которое Вам поручено.

5. Запрещается находиться в лаборатории в пальто, а также раздеваться и вешать пальто, кепи и платки на лабораторное оборудование.

6. По окончании работы приведите в порядок своё рабочее место. После уборки заявите ответственному по лаборатории об окончании работы и только после его разрешения можете оставить лабораторию.

Строго воспрещается!

1. Включать и выключать силовые и осветительные рубильники без разрешения руководителя.

2. Включать схему под напряжение без предварительной проверки и разрешения руководителя.

3. Работать с неубранными или незаправленными (незакрепленными) косынками, кашне, галстуками и шарфами, которые могут попасть во вращающиеся части машины.

4. Оставлять без наблюдения схему, находящуюся под напряжением.

При возникновении аварийных режимов (перегрузка током, электрический пробой изоляции, короткое замыкание, чрезмерное увеличение частоты вращения и т.д.) лабораторная установка должна быть немедленно отключена.

Если произойдет несчастный случай, то лабораторную установку следует немедленно отключить, а пострадавшему оказать помощь, помня о том, что прикосновение к человеку, находящемуся под напряжением, опасно. Освобождать пострадавшего в этом случае можно только с. помощью сухих деревянных или других изоляционных предметов.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1. Изучить принцип действия машины постоянного тока.

1.2. Изучить конструктивные элементы машины постоянного тока.

2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Принцип действия машины постоянного тока (МПТ) базируется на двух основных законах: законе электромагнитной индукции и законе электромагнитного взаимодействия проводника с током и магнитным полем. На рис.1 и 2 показаны модели генератора и двигателя.

Рис. 1. Работа МПТ в режиме Рис. 2. Работа МПТ в режиме

генератора двигателя

2.1. Генератор. На рис. 1 представлена простейшая модель генератора. В магнитном поле, создаваемом полюсами N и S, расположен виток abcd. Вращение витка производится посторонним двигателем. Концы витка присоединены к двум полукольцам, закрепленным на валу двигателя. На полукольца наложены неподвижные щётки А и B. Образована электрическая цепь, соединяющая концы витка, щетки и нагрузку. При вращении витка его активные стороны ab и cd пересекают магнитные линии поля и в них наводится периодическая электродвижущая сила (ЭДС). Мгновенное значение ЭДС в проводнике, равно:

, (1)

где B – индукция магнитного поля в точке, где находится проводник, Тл;

l – активная длина проводника, м;

V – линейная скорость вращения проводника, м/с.

При синусоидальном распределении индукции, ЭДС и ток в витке будут изменяться также по синусоидальному закону. Посредством полуколец (коллектора) и щёток переменная ЭДС выпрямляется, и напряжение на щётках становится пульсирующим. В целях уменьшения пульсаций напряжения и повышения его величины по окружности якоря размещается не один, а несколько витков, соответственно этому увеличивается число коллекторных пластин. При отношении числа коллекторных пластин к числу пар полюсов машины восемь и больше, пульсаций напряжения на щётках не превышают одного процента.

2.2. Двигатель. На рис. 2 показана простейшая модель двигателя. Двигатели постоянного тока находят широкое применение в современном электроприводе, когда требуется плавно и в широких пределах регулировать частоту вращения. Согласно принципу обратимости электрическая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

Принцип работы двигателя основан на взаимодействии основного магнитного поля с токами в проводниках обмотки якоря (рис.2). В результате этого взаимодействия возникает электромагнитная сила F_эм действующая на проводник в магнитном поле:

(2)

где i_a – ток в проводнике, А.

Направление электромагнитной силы определяется правилом левой руки. Произведение силы на плечо (радиус якоря) равно моменту, развиваемому этой силой. Электрическая энергия, подведенная к обмотке якоря в двигателе, преобразуется в механическую энергию.

3. Устройство машины постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части, называемой индуктором, которая служит для создания основного магнитного потока, и вращающейся части, называемой якорем. На рис. 3 показан продольный и поперечный разрез машины.

3.1. Индуктор. Индуктор состоит из станины, главных или основных и добавочных полюсов.

3.1.1. Станина. Станина является корпусом машины и служит магнитопроводом. К ней крепятся главные и добавочные полюса.

3.1.2. Главные полюса. Главные полюса машины (рис. 4) служат для создания магнитного поля. Они состоят из сердечника 2, катушек возбуждения 4. Часть сердечника, обращенная к якорю, называется полюсным наконечником 3. Конструкция полюсного наконечника выбирается такой, чтобы обеспечить необходимое распределение индукции в воздушном зазоре. Сердечник полюса изолируется от обмотки каркасом 5, изготовленным из изоляционного материала. На сердечнике полюсов располагается одна или несколько катушек возбуждения, которые наматываются из медного изолированного провода. Крепление полюсов к станине осуществляется болтами.

Рис. 4 Рис. 5 Рис. 6

3.1.3 Добавочные полюса. Добавочные полюса (рис. 5) служат для уменьшения искрения под щётками. Они состоят из сердечника 1 и катушки 2. Сердечник добавочного полюса набирается из листов электротехнической стали или выполняется массивным. Катушки добавочных полюсов 2 включаются последовательно с обмоткой якоря.

Полярность добавочного полюса определяется по следующему правилу: за главным полюсом данной полярности по направлению вращения в случае генератора следует добавочный полюс противоположной полярности, а в случае двигателя добавочный полюс той же полярности.

3.2. Якорь. Якорь машины (рис. 3) состоит из коллектора 6, сердечника 4 с обмоткой 5, которые крепятся на валу 7.

3.2.1. Сердечник якоря. Сердечник якоря представляет собой цилиндр, набранный из листов электротехнической стали толщиной 0,350,5 мм, которые перед сборкой покрываются изоляционным лаком. На наружной поверхности сердечника изготовляются пазы, в которых укладывается обмотка якоря.

3.2.2. Обмотка якоря. Обмотка якоря состоит из секций, выполненных из медного изолированного провода, круглого или прямоугольного сечения. Секции якоря укладываются в пазы. Концы секций соединяются между собой и припаиваются к коллекторным пластинам.

3.2.3. Коллектор. Коллектор (рис. 6) состоит из отдельных коллекторных пластин 5, изготовленных из меди и тщательно изолированных друг от друга. Коллекторные пластины крепятся при помощи нажимных конусов 4 или заливаются пластмассой.

3.2.4. Щеточный аппарат. Щеточный аппарат (рис. 7) служит для соединения обмотки якоря с внешней цепью. Щётки располагаются в щёткодержателях и прижимаются к коллектору с помощью пружины. Щёткодержатели крепятся к щёточным болтам, которые в свою очередь прикрепляются к траверсе. Траверса располагается на подшипниковом щите 9.

Рис. 7

3.3. Помимо указанных частей машина имеет подшипниковые щиты 9 (см. рис. 3), подшипники 8 и коробку выводов 12.

Подшипниковые щиты с помощью болтов крепятся к станине.

3.3.1. Для присоединения обмоток к электрической сети машина снабжается коробкой выводов 12 (рис. 3.). Выводы обмотки машин постоянного тока обозначаются так, как указано на рис. 8.