Совершенствование стендов для испытания и исследования тяговых электрических машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Виды и программы испытаний тяговых электрических машин
• 1.1 Квалификационные испытания
• 1.2 Приемо-сдаточные испытания
• 1.3 Периодические испытания
• 1.4 Типовые испытания
• 1.5 Ресурсные испытания
• 2. Описание лаборатории «Тяговые электрические машины»
• 2.1 Общие сведения о лаборатории. Электрическая схема стенда
• 2.2 Испытуемый двигатель типа ДМК-1/50У2
• 2.3 Тахогенератор. Двигатель типа ДВ75У3
• 2.4 Вольтодобавочная машина и линейный генератор
• 3. Методика и техника проведения лабораторных работ
• 3.1 Рекомендации и требования к выполнению лабораторных работ
• 3.2 Лабораторная работа №1. Виды и схемы испытаний тяговых электродвигателей
• 3.2.1 Пояснения к работе
• 3.2.2 Сбор схемы взаимной нагрузки и проверка ее работы
• 3.2.3 Порядок выполнения работы
• 3.2.4 Содержание отчета
• 3.2.5 Контрольные вопросы
• 3.3 Лабораторная работа №2. Исследование работы схемы взаимной нагрузки и определение сопротивлений обмоток двигателей в холодном состоянии
• 3.3.1 Пояснения к работе39
• 3.3.2 Порядок выполнения работы.
• 3.3.3 Содержание отчета
• 3.3.4 Контрольные вопросы
• 3.4 Лабораторная работа №3. Электромеханические характеристики двигателя
• 3.4.1 Пояснения к работе
• 3.4.2 Порядок выполнения работы
• 3.4.3 Содержание отчета
• 3.4.4 Контрольные вопросы
• 4. Разработка инструкции по охране труда и технике безопасности при проведении лабораторных работ
• 4.1 Электробезопасность
• 4.1.1 Статистика электротравматизма
• 4.1.2 Понятие об электробезопасности. Электрические травмы
• 4.1.3 Факторы, определяющие исход поражения
• 4.1.4 Величина тока и напряжения
• 4.1.5 Продолжительность воздействия тока
• 4.1.6 Сопротивление тела
• 4.1.7 Путь («петля») тока через тело человека
• 4.2 Общие положения
• 4.3 Требования безопасности перед началом работы
• 4.4 Требования безопасности во время работы
• 4.5 Требование безопасности после окончания работы
• 4.6 Требование безопасности в аварийных ситуациях
• Введение
• электрический машина двигатель генератор
• Создание учебно-научно-производственных комплексов (УНПК) при университетах и кафедрах как факторов систем менеджмента качества образования по актуальности, научной новизне и практической значимости является глобальной проблемой. Интеграция университетов в реальный сектор экономики отрасли и регионов, обеспечение качественно нового уровня подготовки специалистов, научных и научно-педагогических кадров, активизация и развитие научных исследований и инновационной деятельности, повышение их результативности и эффективности для нужд реального сектора экономики, воспитание специалистов с высокой культурой мышления, широким кругозором, активным и сознательным отношением к жизни, превращение университетов в центры подъема и стабилизации экономики, духовного и культурного развития отрасли и регионов является главной целью системы профессионального образования.
• Реальная интеграция образовательного процесса, научной и производственной деятельности существовала в ИрГУПС (ИрИИТ) в 1995…2003 гг. Она определялась в этот период отношением к собственности путём единой организационно-правовой и финансово-экономической структуре ВСЖД-ИрГУПС (ИрИИТ) в лице начальника дороги Г.П. Комарова и ректора Л.П. Суркова. Отразим результаты создания такого комплекса на примере научно-производственной проблемы для ОАО «РЖД» по разработке «Эффективных электротехнических методов и средств повышения надёжности локомотивов и работоспособности локомотивных бригад».
• Проблема была сформулирована главным инженером службы локомотивного хозяйства ВСЖД Е.Н. Каратаевым, заведующим кафедрой ЭПС В.В. Макаровым и начальником НИЧ К.А. Марютиным. Научное руководство этой проблемой было поручено профессору кафедры ЭПС А.М. Худоногову.
• По существу одной из важнейших проблем железнодорожного транспорта нашей страны является необходимость обеспечения надёжной работы тягового подвижного состава (ТПС). Анализ по надёжности ТПС показывает, что основным повреждаемым узлом являются тяговые электрические машины (ТЭМ). Статистика отказов ТЭМ по железным дорогам Восточного региона России показала, что по сравнению с другими дорогами сети эти отказы стабильно высоки. Условия эксплуатации локомотивов на этих дорогах значительно отличаются в худшую сторону от условий эксплуатации локомотивов на других железных дорогах.
• Наиболее важным и уязвимым звеном тяговых и вспомогательных электрических машин, а также и аппаратов являются их обмотки. От 90 до 95% всех отказов электрооборудования на ЭПС приходится на неисправности обмоток. Трудоемкость текущего, среднего и капитального ремонта обмоток составляет от 30 до 70% общего объема работ. В свою очередь в обмотках наиболее ненадежным элементом является их изоляция. При достижении увлажнения изоляции выше предельно допустимых значений происходит снижение электрической прочности и пробой. Статистические данные по надежности узлов и деталей оборудования электровозов в условиях эксплуатации их за последние десять лет на ВСЖД показывают, что большая доля отказов приходится на тяговые и вспомогательные электрические машины (ВЭМ). Например, за 2000-2009 гг. отказы по ТЭМ составили более 44%.
• Ядром УНПК по решению приведенных взаимосвязанных проблем стала кафедра ЭПС, имеющая развитую образовательную структуру, где ведется подготовка студентов по специальности 190303 - «Электрический транспорт железных дорог», аспирантов и докторантов по специальности 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация, а также современную учебно-научно-производственную базу, включающую в себя несколько лабораторий, в том числе лабораторию «Тяговые электрические машины».
• Совершенствование стендов для испытания и исследования тяговых электрических машин, разработка методики проведения лабораторных работ №1, №2, №3, а также исследование и снятие характеристик тяговых двигателей является целью данного дипломного проекта.

1. Виды и программы испытаний тяговых электрических машин

Согласно ГОСТ 2582-81 тяговые электрические машины подразделяют:

По назначению:

- тяговые двигатели;

- тяговые генераторы;

- вспомогательные электрические машины (двигатели, генераторы, возбудители, расщепители фаз, преобразователи).

По способу питания электроэнергией:

- электрические машины, получающие электроэнергию от контактной сети;

- электрические машины, получающие электроэнергию от источника, находящегося на подвижном составе.

По роду тока:

- электрические машины постоянного тока, в том числе выпрямленного многофазного тока при коэффициенте пульсации тока 10% и менее;

- электрические машины пульсирующего тока (выпрямленного однофазного) при коэффициенте пульсации тока выше 10%;

- электрические машины переменного тока.

По режиму работы:

- электрические машины, работающие в продолжительном режиме;

- электрические машины, работающие в кратковременном режиме с длительностью рабочего периода 15, 30, 40, 60 (часовой) и 90 мин;

- электрические машины, работающие в повторно-кратковременном режиме с продолжительностью включения (ПВ) 15, 25, 40, 50, 60%.

По степени защиты - в соответствии с ГОСТ 14254.

По способу охлаждения:

- с независимой вентиляцией;

- с самовентиляцией;

- обдуваемые;

- с естественным охлаждением.

Для проверки соответствия требованиям ГОСТ 2582-81 электрические машины следует подвергать квалификационным, приемо-сдаточным, периодическим, типовым и ресурсным испытаниям. Испытания следует проводить при питании тем родом тока, для которого предназначена электрическая машина.

Приемо-сдаточные испытания двигателей пульсирующего тока допускается по согласованию с заказчиком проводить на постоянном токе при условии, что взаимосвязь между превышениями температур на постоянном и пульсирующем токе установлена при квалификационных испытаниях двигателей данного типа.

Обмотки возбуждения электрических машин, предназначенных для питания от синхронного генератора через преобразователь, допускается питать постоянным током.

Схемы, применяемые для испытаний, должны иметь характеристики, соответствующие характеристикам подвижного состава, для которого предназначен данный тип электрической машины.

При необходимости зависимость коэффициента пульсации тока от режима согласовывается с заказчиком.

Число электрических машин, отбираемых для квалификационных и периодических испытаний, следует указывать в соответствующей нормативно-технической документации.

1.1 Квалификационные испытания

Квалификационные испытания проводят при выпуске электрических машин новых типов, а также при освоении производства новым изготовителем. Испытаниям подвергают образцы из установочной серии в соответствии с ГОСТ 15.001.

Программа и последовательность испытаний электрических машин постоянного и пульсирующего тока следующая:

- определение зависимости статического давления охлаждающего воздуха за входом в электрическую машину от расхода продуваемого через нее воздуха (для электрических машин с независимой вентиляцией).

- определение зависимости полного давления охлаждающего воздуха перед входом в электрическую машину от расхода продуваемого через нее воздуха (для электрических машин с независимой вентиляцией).

- измерение сопротивления обмоток постоянному току в практически холодном состоянии.

- испытание на нагревание при продолжительной, повторно-кратковременной или кратковременной мощности в зависимости от номинального режима.

- определение тока часового или другого эквивалентного режима, соответствующего превышению температуры при работе электрической машины в номинальном режиме.

- испытание на нагревание в течение 1 ч или меньшего интервала времени, если машина рассчитана на кратковременный режим.

- проверка частоты вращения и реверсирования при номинальных значениях напряжения, токах нагрузки и возбуждения для двигателей или проверка при номинальной частоте вращения напряжения по п.2.4.2 для генераторов.

- испытание при повышенной частоте вращения.

- испытание электрической прочности междувитковой изоляции обмоток.

- измерение биения коллектора.

- проверка коммутации.

- измерение сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса машины и между обмотками.

- испытание электрической прочности изоляции обмоток относительно корпуса машины и между обмотками.

- построение сетки кривых нагревания и охлаждения тяговых двигателей и тяговых генераторов, предназначенных для магистральных электровозов, тепловозов, электропоездов, а также тяговых двигателей с независимой вентиляцией для городского транспорта.

- определение скоростных характеристик при номинальном напряжении или при постоянной мощности на выводах двигателей (в последнем случае при заданной зависимости питающего напряжения от тока якоря) и всех рабочих ступенях регулирования возбуждения для двигателей и нагрузочных характеристик при разных токах нагрузки до 1,5 номинального тока для генераторов и при токах якоря 0; 0,5; 1,0; 1,5 номинального для двигателей.

Нагрузочные характеристики двигателя определяют для токов обмотки возбуждения от 0,25 номинального значения до наибольшего.

Для тяговых генераторов по согласованию с заказчиком допускается вместо нагрузочных характеристик определять характеристику холостого хода.

Для генераторов управления определяют внешнюю и регулировочную характеристики.

- определение характеристик затухания магнитных потоков главных и добавочных полюсов на электрических машинах магистральных электровозов.

- определение индуктивностей обмоток тяговых двигателей, тяговых генераторов, а также вспомогательных электрических машин электровозов.

- определение кривых распределения межламельных напряжений по окружности коллектора машин мощностью более 3 кВт.

- определение потерь и КПД.

- испытание на пуск.

- испытание на влагостойкость.

- испытание на холодостойкость при эксплуатации.

- проверка уровня вибрации.

- испытание на вибропрочность, для электрических машин городского транспорта - испытание на механические воздействия.

- измерение массы.

- проверка степени защиты.

- программа и последовательность испытаний вспомогательных асинхронных двигателей

- измерение сопротивления обмоток постоянному току в практически холодном состоянии.

- испытания на нагревание.

- определение тока и потерь холостого хода.

- определение тока и потерь короткого замыкания.

- измерение сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса машины и между обмотками.

- испытание при повышенной частоте вращения.

- испытание на кратковременную перегрузку по току.

- измерение уровня вибрации.

- испытание электрической прочности междувитковой изоляции обмоток.

- испытание электрической прочности изоляции обмоток относительно корпуса машины и между обмотками.

- определение КПД, коэффициента мощности и скольжения.

- определение вращающих моментов при питании симметричным трехфазным напряжением и при питании по схеме, предусмотренной на подвижном составе соответственно при номинальном и пониженном напряжении.

- испытание под током короткого замыкания.

- испытание на влагостойкость.

- испытание на холодостойкость при эксплуатации.

- испытание на вибропрочность.

- измерение массы.

- проверка степени защиты.

- программа и последовательность испытаний расщепителей фаз

- измерение сопротивления обмоток постоянному току в практически холодном состоянии.

- определение токов, линейных напряжений, коэффициента обратной последовательности напряжений, КПД, коэффициента мощности и скольжения в диапазоне нагрузок от 0,25 до 1,5 номинальной.

- испытание на нагревание в продолжительном режиме.

- измерение сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса машины и между обмотками.

- определение токов, потерь холостого хода, линейных напряжений, коэффициента мощности, коэффициента обратной последовательности напряжений холостого хода при питании расщепителя фаз однофазным током при изменении напряжений.

- определение токов, коэффициента мощности и потерь короткого замыкания.

- определение времени пуска расщепителя фаз при наименьшем напряжении.

- снятие характеристики вращающего момента в процессе пуска. для расщепителей фаз без выступающих концов вала это испытание является рекомендуемым.

- программа и последовательность испытаний электрических машин переменного тока: тяговых и вспомогательных генераторов, возбудителей и подвозбудителей

- определение зависимости статического давления охлаждающего воздуха за входом в электрическую машину от расхода продуваемого через нее воздуха (для электрических машин с независимой вентиляцией).

- измерение сопротивления обмоток постоянному току в практически холодном состоянии.

- испытание на нагревание при продолжительных режимах работы.

- определение эквивалентного часового тока при испытаниях в режиме короткого замыкания.

- испытание на нагревание в течение 1 ч в режиме короткого замыкания (для тепловозов).

- определение характеристики установившегося короткого замыкания с одновременным испытанием на кратковременную перегрузку по току короткого замыкания.

- испытание при повышенной частоте вращения.

- определение характеристики холостого хода при номинальной частоте вращения.

- испытание электрической прочности междувитковой изоляции обмоток.

- измерение электрического напряжения между концами вала тягового генератора при номинальной частоте вращения в режиме холостого хода при наибольшем напряжении.

- измерение сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса и между обмотками.

- испытание электрической прочности изоляции обмоток относительно корпуса и между обмотками.

- измерение биения контактных колец.

- измерение уровня вибрации.

- определение номинальных токов возбуждения продолжительных режимов и относительного изменения наибольшего номинального напряжения.

- определение потерь и КПД.

- определение нагрузочных характеристик тягового генератора при изменении тока нагрузки от холостого хода до 1,5 номинального.

- определение индуктивных сопротивлений и постоянных времени обмоток.

- построение сетки кривых нагревания и охлаждения тягового генератора.

- испытание механической прочности ударному току короткого замыкания на выводах выпрямительной установки.

- проверка перенапряжения на вентилях выпрямительной установки тягового генератора при сквозном пробое плеча.

- испытание на влагостойкость.

- испытание на холодостойкость при эксплуатации.

- испытание на вибропрочность.

- измерение массы.

- проверка степени защиты.

- допускается проведение дополнительных испытаний, если они предусмотрены соответствующей нормативно-технической документацией.

- оценку вибропрочности производят по результатам испытаний одного образца первой промышленной партии.

1.2 Приемо-сдаточные испытания

Основной задачей приемо-сдаточных испытаний является проверка работоспособности собранной машины. Приемо-сдаточным испытаниям подвергают каждую электрическую машину. При этом:

- измеряют сопротивление обмоток машины в холодном состоянии;

- контролируют нагревание обмоток, коллектора, подшипников при номинальном или другом кратковременном режиме, на который рассчитана машина;

- проверяют частоту вращения якоря в обоих направлениях при номинальных значениях напряжения, тока якоря и возбуждения, а также осуществляют режим при повышенной частоте вращения;

- проверяют электрическую прочность витковой изоляции, её сопротивление и прочность изоляции между токоведущими частями, корпусом, катушками;

- проверяют коммутацию;

- замеряют биение коллектора и уровень вибрации машины.

1.3 Периодические испытания

Периодические испытания машин серийного производства осуществляют один раз в два года или, по требованию заказчика, ежегодно для проверки стабильности характеристик и номинальных данных. Число испытуемых машин изготовитель согласовывает с заказчиком. Периодические испытания проводят по заниженной программе квалификационных испытаний.

1.4 Типовые испытания

Типовые испытания проводят по программе квалификационных испытаний после внесения изменений в конструкцию, рецептуру (замена материалов) или технологию изготовления электрических машин. Допускается исключать из этой программы по согласованию с заказчиком отдельные пункты, если характер внесенных изменений не требует выполнения полной программы.

Испытание на вибропрочность проводят на одном образце.

1.5 Ресурсные испытания

Ресурсные испытания проводят на электрических машинах установочной серии, а также при изменениях конструкции, материалов, технологии изготовления, влияющих на ресурс.

Программа испытаний - по технической документации, утвержденной в установленном порядке.

Испытания включают:

- проверку износа трущихся и сопрягаемых поверхностей составленных частей электрических машин, определение их ресурса до восстановительного ремонта;

- оценку вибропрочности электрических машин, их несущих элементов и основных сборочных единиц (кроме тяговых генераторов);

- испытание на тепловое старение изоляции и определение ее ресурса.

Эти испытания проводят или непосредственно на ЭПС или на эксплуатационных стендах, обеспечивающих эксплуатационные и форсированные нагрузки.

2. Описание лаборатории «Тяговые электрические машины»

2.1 Общие сведения о лаборатории. Электрическая схема стенда

Лаборатория «Тяговые электрические машины» размещена в специализированной аудитории с площадью 94 м².

Участие в создании лаборатории приняли ряд ученых Иркутского государственного университета путей сообщения (ИрГУПС), под руководством профессора А.М. Худоногова и В.П. Смирнова в начале 2000-х годов. Однако работы не были завершены и стенды находились в нерабочем состоянии долгое время. Техническая документация была утеряна.

В данном дипломном проекте стояла задача по совершенствованию стендов для испытания тяговых электрических машин. Всего в лаборатории 5 стендов, выполненных в двух исполнениях.

Рисунок 2.1 - Электрическая схема лабораторный стенда (без конденсатора)



Рисунок 2.2 - Электрическая схема лабораторный стенда (с конденсатором)

Лабораторный стенд состоит из двух двигателей М и G последовательного возбуждения, вольтодобавочной машины (ВДМ), линейного генератора (ЛГ) и пульта управления.

2.2 Испытуемый двигатель типа ДМК-1/50У2

В качестве испытуемой электрической машины М и нагрузочного генератора G используются электродвигатели постоянного тока типа ДМК-1/50У2, служащие приводом группового переключателя ступеней контроллера электровозов серии ВЛ80.

Технические данные электродвигателя следующие:

Номинальная мощность, кВт - 0,5

Номинальное напряжение, В - 50

Номинальный ток якоря, А - 13,5

Номинальная частота вращения, об/мин. - 1400

Класс изоляции по нагревостойкости ___ В

Масса, кг - 43

Пределы изменения питающего напряжения, В - 30-55

Режим работы в эксплуатации повторно-кратковременный с частыми пусками и электрическим торможением ПВ=15%.

Электродвигатель реверсивный, независимого возбуждения, защищенного исполнения, горизонтальной установки, на двух щитовых подшипниках качения с одним свободным концом вала. Станина стальная, сварная. В станине смонтированы два главных полюса. Подшипниковые щиты силуминовые, армированные стальными кольцами для монтажа подшипников. Со стороны коллектора установлен шариковый подшипник 0-304, с противоположной стороны -- подшипник 0-305.

В электродвигателе применены щетки ЭГ-74 размером 10x12,5x32 мм. Питание электродвигателя на электровозе осуществляется от выпрямительной установки либо от аккумуляторной батареи.

Основные геометрические размеры двигателя представлены на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Габаритные размеры двигателя типа ДМК-1/50У2

2.3 Тахогенератор. Двигатель типа ДВ75У3

Двигатели М и G соединены муфтой и имеют на валу тахогенератор Br типа ДВ75У3 для дистанционного измерения частоты вращения.

Структура условного обозначения ДВ-75У3:

Д - двигатель;

В - вентиляторный;

75 - напряжение, В;

У - климатическое исполнение по ГОСТ 15150-69: У - умеренный климат, температуры эксплуатации -45...+45 °С;

3 - категория размещения по ГОСТ 15543-71: 3 - В закрытых помещениях с естественной вентиляцией, без искусственно регулируемых климатических условий, где колебания температуры и влажности воздуха и воздействие песка и пыли существенно меньше, чем на воздухе.

Режим работы продолжительный (S1) по ГОСТ 183-74. Основное направление вращения электродвигателя - правое со стороны выходного конца вала.

Электродвигатели соответствуют группе условий эксплуатации М2.5 по ГОСТ 17516-72. Рабочее положение горизонтальное. Допускается наклон в любую сторону на угол до 45°. Защита от радиопомех производится в объектах потребителями электродвигателей. Эффективная величина вибрационной скорости при номинальном напряжении соответствует классу 2.8 по ГОСТ 16921-71. Класс коммутации электродвигателей при номинальной нагрузке и скорости вращения не выше 1 1/2 по шкале ГОСТ 183-66. Уровень шума, создаваемого электродвигателем, не превышает класс II по ГОСТ 16264-70. Превышение температуры обмоток якоря и возбуждения над температурой окружающей среды при работе электродвигателя в установившемся тепловом режиме не более допустимого значения по ГОСТ 2582-72 для принятого класса изоляции А.

Изоляция обмоток электродвигателя между ее смежными витками выдерживает в течение 5 мин повышенное напряжение, равное 1,3 номинального значения.

Изоляция токоведущих цепей электродвигателя относительно корпуса после пребывания в условиях повышенной влажности выдерживает в течение 1 мин без пробоя и перекрытия изоляции напряжение 325 В. Электродвигатели для внутренних и экспортных поставок соответствуют требованиям ТУ 16-515.132-73, ГОСТ 2582-72 и ГОСТ 16264-70. Конструкция электродвигателей по технике безопасности отвечает ГОСТ 12.2.007.0-75 и ГОСТ 12.2.007.1-75. Требования пожароопасности в соответствии с ГОСТ 12.1.004-85.

Эксплуатация двигателей должна производиться согласно "Правилам технической эксплуатации электроустановок потребителей", утвержденным Госэнергонадзором, или инструкции по монтажу и эксплуатации для двигателей, предназначенных на экспорт.

Технические характеристики двигателя ДВ75У3 следующие:

Номинальная мощность, Вт	40
Частота вращения, мин-1	3000±15%
Напряжение питания, В	7
Ток, А, не более	1,25
КПД, %	0,46
Срок службы, ч	1500
Масса, кг	3,5

Электрическая схема соединения обмоток представлена на рисунке 2.4.



Рисунок 2.4 - Электрическая схема соединения обмоток двигателя типа ДВ-75 У3. Вид со стороны коллектора

Двигатель постоянного тока четырехполюсный с последовательным возбуждением, нереверсивный. Двигатель состоит из корпуса, к которому прикреплены четыре полюса с обмоткой возбуждения, якоря, состоящего из вала, пакета якоря, коллектора, траверсы, на которой укреплены четыре обоймы - щеткодержатели. Опорой якоря являются подшипники качения N 201 "П" ГОСТ 8338-57. Камеры подшипников заполняются смазкой ЦИАТИМ-221 ГОСТ 9433-60 на 2/3 объема. Двигатель закрытого исполнения с обдувом от вентилятора, устанавливаемого потребителем. Закрытое исполнение осуществляется с помощью сплошного подшипникового щита корпуса и колпака. Крепление осуществляется хомутиком.

Габаритные, установочные и присоединительные размеры двигателя приведены на рисунке 2.5.



Рисунок 2.5 - Габаритные, установочные и присоединительные размеры двигателей типа ДВ-75 У3

2.4 Вольтодобавочная машина и линейный генератор

В качестве ВДМ и ЛГ использованы самодельные регулируемые понижающие трансформаторы TV1, TV2 напряжением 220/45В с выпрямительными установками U2, U3 и сглаживающими устройствами L1-C1, L2-C2 для подавления пульсаций тока. Напряжения ВДМ и ЛГ плавно регулируются с помощью соответствующих рукояток, расположенных на пульте управления стендом.

Начало и конец каждой обмотки испытуемых машин, а также источников питания ВДМ и ЛГ выведены на клеммы мнемонической схемы, изображенной на вертикальной панели стенда и на рисунке 2.2.

Машины оборудованы измерительными щетками, изолированными друг от основных и позволяющими подключать измерительные приборы непосредственно к коллектору. выводные клеммы от этих щеток также расположены на вертикальной панели стенда.

Для осуществления режимов ослабления возбуждения испытуемых машин установка имеет резистор R_ов, состоящий из двух секций R1 и R2 и позволяющий осуществить две ступени ослабления возбуждения. Необходимую ступень ослабления возбуждения устанавливают с помощью штекеров. Резистор рассчитан на ослабление возбуждения двух последовательно соединенных обмоток главных полюсов.

В схеме предусмотрены два электромагнитных контактора B1 и В2, управление которыми производится кнопками, имеющими соответствующие обозначения и расположенными на горизонтальной панели. О включенном положении контакторов B1 или В2 сигнализируют лампочки, расположенные на вертикальной панели стенда. При сборке схемы обязательным условием является включение контакторов B1 и В2 в цепь якоря машины Д1 и Д2 соответственно. Отключение контакторов осуществляется нажатием красной кнопки "стоп".

Наличие на вертикальной панели стенда выводов всех обмоток испытуемых машин, ВДМ, ЛГ и резистора R_ов позволяет быстро собрать любую схему испытаний, изменить направление вращения, осуществить режим ослабления возбуждения. Для сбора схемы нужно соединить проводниками соответствующие клеммы.

На правой части вертикальной панели расположены необходимые для выполнения испытаний приборы, которые монтажной схемой включены в соответствующие цепи. Поэтому дополнительного соединения приборов, расположенных на пульте, при сборе схемы не требуется. Приборы позволяют измерять следующие величины:

- ток линейного генератора, А;

- ток в обмотке якоря машины 1, А;

- ток в обмотке якоря машины 2, А;

Отклонение стрелки приборов влево указывает на работу машины в генераторном режиме (Г), вправо - в двигательном (Д);

- ток в обмотке возбуждения главных полюсов, А;

- напряжение линейного генератора, В;

, - напряжение на зажимах первой или второй машины в зависимости от положения тумблера, В;

, , - напряжение ВДМ или сумма напряжений в соответствии с одним из трех положений тумблера, В;

n - частота вращения испытуемых машин, об/мин.

3. Методика и техника проведения лабораторных работ

3.1 Рекомендации и требования к выполнению лабораторных работ

Лабораторные работы по дисциплине «Тяговые электрические машины» призваны углубить теоретические знания студентов, познакомить их с устройством тяговых электрических машин, принципом действия, схемой и методами их испытания, а также практическим навыкам работы с испытательной станцией.

При проведении лабораторных работ ставится основная цель - научить студентов практике использования знаний конструкций, свойств и характеристик тяговых электрических машин при их техническом обслуживании, ремонте и испытаниях в локомотивных депо.

Выполнив лабораторные работы, студент должен знать:

- виды, методы и схемы испытаний тяговых электрических машин;

- факторы, влияющие на реализацию характеристик тяговых электрических машин;

- регулировочные свойства тяговых машин;

- устройство и особенности конструкций отдельных частей тягового двигателя;

- методы и способы измерения параметров работы тяговых машин.

Выполнив лабораторные работы, студент должен уметь:

- проводить все виды испытаний тяговых электрических машин, как после их изготовления, так и после ремонта в депо;

- рассчитывать и строить электромеханические характеристики испытуемой машины;

- по результатам испытаний давать оценку качественным характеристикам электрической машины;

- производить выбор и уметь эксплуатировать вычислительную технику;

- анализировать результаты экспериментов.

Для наиболее эффективного использования учебного времени в лаборатории каждый студент должен предварительно:

- изучить теоретический материал в соответствии с темой лабораторной работы;

- внимательно ознакомиться с настоящим методическим указанием;

- подготовить бланк отчета.

Каждая подгруппа, проводящая лабораторные работы вместе должна иметь рабочую тетрадь, в которой фиксируются результаты измерений и вычислений, а так же средства обработки данных эксперимента.

Неподготовленные студенты к выполнению лабораторных работ не допускаются и по указанию преподавателя в аудитории изучают теоретический материал. Выполнение лабораторной работы такими студентами производится в конце семестра по особому расписанию, составленному кафедрой.

Лабораторные работы проводятся фронтальным методом. Подгруппа, выполняющая одну работу, состоит из 2-3 человек.

Результаты экспериментов фиксируются в рабочей тетради с указанием цены деления и марки прибора, по которому данные получены (в случае работы с физической моделью испытательной станции).

Включение схемы под напряжение разрешается только после проверки преподавателем или лаборантом.

По каждому опыту необходимо делать не менее 6-7 измерений для различных режимов.

После завершения всех опытов рабочая тетрадь предъявляется преподавателю для проверки. Если результаты опытов не будут предъявлены преподавателю или признаны неудовлетворительными, то работа должна быть выполнена повторно.

После завершения экспериментов и проверки полученных результатов схема выключается, а рабочее место приводится в порядок.

Отчеты по лабораторным работам каждая подгруппа оформляет в тетради, первый лист которой является титульным.

На титульном листе указывается название министерства, института, кафедры, номер группы, фамилия и инициалы студентов.

В содержании отчета по лабораторным работам должны найти отражение следующие пункты:

- цель работы;

- перечень исследуемого оборудования;

- схема соединения.

- таблицы с записью результатов экспериментов и вычислений;

- графики полученных зависимостей;

- выводы по результатам работы.

В выводах, необходимо указать, какие теоретические положения подтверждаются результатами опытов.

Защита лабораторных работ проводится индивидуально по представлению отчета, оформленного в соответствие с вышеизложенными требованиями.

При защите студент должен показать достаточные теоретические знания по данному вопросу, представлять физическую сущность изучаемых явлений, уметь объяснить и математически обосновать построенные графики, а также сделать технически грамотный вывод по работе.

3.2 Лабораторная работа №1. Виды и схемы испытаний тяговых электродвигателей

Цель работы: ознакомиться с видами испытаний тяговых двигателей и изучить их программу, освоить работу на лабораторной установке для испытания двигателей последовательного возбуждения и способы проверки правильности включения машин.

3.2.1 Пояснения к работе

В соответствии с ГОСТ 2582-81 для тяговых электрических машин после изготовления предусмотрены следующие виды испытаний: приемо-сдаточные, типовые, периодические и ресурсные. Более подробно при виде испытаний описано в главе 1.

Приемо-сдаточные, типовые и периодические испытания тяговых электродвигателей включают испытания их под нагрузкой.

Схемы испытаний и способы нагрузки испытываемых двигателей ГОСТом не ограничены.

Осуществление нагрузки тягового двигателя на стенде возможно с помощью механического либо электромагнитного тормозного устройства (ТУ), или другой электрической машины, однотипной с испытуемой и предназначенной для работы в генераторном режиме.

Использование тормозного устройства (рисунок 3.1, а), рассчитанного на поглощение большой мощности, представляет собой достаточно сложную задачу; трудно обеспечить его устойчивую работу с определенной нагрузкой, а также регулировать ее в необходимых пределах. Кроме того, применение подобного тормозного устройства является неэкономичным, так как вся энергия, затрачиваемая на испытание двигателя, безвозвратно теряется и рассеивается в окружающую среду.

Использование нагрузочного генератора (НГ) в качестве механической нагрузки для, испытуемого тягового электродвигателя (см рисунок 3.1, б, в) позволяет обеспечить простое и плавное регулирование режима работы тягового двигателя путем регулирования сопротивления нагрузочного резистора (HP) и тока возбуждения генератор.

В этом случае вырабатываемая генератором электрическая энергия гасится в нагрузочном реостате (см. рисунок 3.1, б) и неэкономичность схемы остается такой же, как и в случае применения ТУ: вся энергия рассеивается в окружающую среду в HP.

а)

б)

в)

Рисунок 3.1 - Структурные схемы испытаний тяговых электродвигателей: ПГ- питающий генератор; ТД - испытуемый тяговый электродвигатель; ТУ - тормозное устройство; НГ- нагрузочный генератор; HP - нагрузочный резистор

При испытании тяговых электродвигателей используется принцип возврата электрической энергии, вырабатываемой НГ, в цепь питания испытуемого двигателя (см. рисунок 3.1, в), что позволяет значительно уменьшить затраты энергии на испытания. Схемы, обеспечивающие такую возможность, получили название схем взаимной нагрузки (или возвратной работы).

Наиболее широкое распространение получила схема взаимной нагрузки с линейным генератором и вольтодобавочной машиной.

Два однотипных тяговых двигателя Д1 и Д2 (рисунок 3.2) механически соединяют между собой с помощью муфты. Электрическая схема соединения двигателей предусматривает работу одной из машин (Д1) в режиме двигателя, другой (Д2) - генератора. Машина, работающая генератором, отдает выработанную мощность машине, работающей двигателем, и является для нее механической нагрузкой. Для обеспечения такого режима работы в систему включают две вспомогательные машины - вольтодобавочную (ВДМ) и линейный генератор (ЛГ), которые компенсируют потери в двигателе и генераторе. В качестве ВДМ и ЛГ на испытательных станциях заводов и депо используют обычно генераторы постоянного тока с независимым возбуждением.

Напряжение линейного генератора подводится к испытуемому двигателю, все обмотки которого (Я1, ДП1 и ГП1.) соединены последовательно. В эту же цепь включена обмотка возбуждения главных полюсов (ГП2) второй машины, предназначенной для работы в генераторном режиме. Это необходимо потому, что генератор последовательного возбуждения не может устойчиво работать параллельно с другими источниками электрической энергии (в данном случае с ЛГ).



Рисунок 3.2 - Принципиальная электрическая схема испытания двигателей методом взаимной нагрузки

Последовательно с якорной цепью машины, работающей в генераторном режиме; включается ВДМ для того, чтобы сумма ЭДС этих машин превышала напряжение источника питания U_лг. Только в этом случае вторая машина будет работать в генераторном режиме, а ток в ее цепи Iг - совпадать с направлением суммы ЭДС .

Уравнение равновесия напряжений для цепи генератора имеет вид

, (3.1)

Где - сопротивления обмоток якоря и добавочных полюсов соответственно;

- падение напряжения в щеточном контакте.

Из (3.1) следует, что

(3.2)

то есть увеличение приводит к росту тока . Мощность, вырабатываемая генератором, увеличивается, что вызывает соответствующий рост механической нагрузки на валу испытуемого двигателя. Таким образом, путем изменения оказывается возможным регулировать нагрузку двигателя в широких пределах. С анализом этой и других схем взаимной нагрузки, необходимо подробно ознакомиться в.

3.2.2 Сбор схемы взаимной нагрузки и проверка ее работы

Схему испытаний двигателя ДТ собирают на вертикальной панели стенда в соответствии с принципиальной электрической схемой (см. рис. 1.2), затем проверяют правильность соединений и соответствие полярностей испытуемых и вспомогательных машин, что обеспечивает и ее нормальную работу.

При работе на пульте необходимо соблюдать следующие правила:

а) включение ЛГ и ВДМ можно производить только при нулевом положении регулирующих рукояток (по часовой стрелке до упора);

б) включение контакторов B1 и В2 Можно производить только при включенных ЛГ и ВДМ в нулевом положении рукояток;

в) после окончания опыта контакторы B1 и В2, ЛГ и ВДМ должны быть выключены.

Проверка работы ЛГ и ВДМ. Включить ЛГ и ВДМ, убедиться в увеличении напряжения ЛГ (по вольтметрам , и ) и ВДМ (по вольтметру ) при вращении соответствующих рукояток против часовой стрелки.

Необходимо иметь в виду, что при вращении рукоятки в сторону, уменьшения напряжения снижения его (по вольтметру) практически происходить не будет из-за наличия заряда на конденсаторе сглаживающего устройства. Для повторной проверки нужно выключить питание и снова его включить.

Проверка цепи испытуемого двигателя. При включенном ЛГ включить контактор BI в цепи испытуемого двигателя и постепенно увеличивать напряжение . Это должно сопровождаться появлением тока в цепи ЛГ и в цепи двигателя и ростом частоты вращения n.

Значительно увеличивать напряжение нельзя, так как двигатель работает без нагрузки, и возможно повышение частоты его вращения выше допустимой (2400 об/мин).

Проверка соответствия полярностей ВДМ и генератора. Выполнить операции и установить частоту вращения в пределах 400-500 об/мин. При увеличении напряжения ВДМ и выключенном контакторе В2 в цепи генератора должна расти сумма напряжений для генераторной цепи при неизменном значении напряжения .

Проверка соответствия полярностей двигателя и генератора. Включить ВДМ и при отсутствии напряжения на ЛГ (рукоятка, в крайнем положении по часовой стрелке) включить контакторы В1 и В2. При увеличении напряжения должны увеличиваться токи в цепях двигателя и генератора, а направления токов соответствовать выбранной схеме испытаний. Увеличение тока производить до 5 А. При правильной полярности якоря машин вращаться не будут.

Последовательность включения установки. После выполнения указанных проверок можно включить установку в нормальную работу в следующем порядке:

а) включить ВДМ и ЛГ;

б) включить контакторы B1 и В2;

в) установить ток в цепи двигателя А;

г) увеличивать напряжение ЛГ, наблюдая за частотой вращения; при частоте вращения 1000 об/мин увеличить нагрузку испытуемого двигателя путем увеличения напряжения ВДМ соответствующей рукояткой.

Выключение машин необходимо производить путем одновременного снижения и таким образом, чтобы частота вращения двигателей постепенно уменьшалась. После остановки машины выключить контакторы B1, В2, ВДМ и ЛГ.

3.2.3 Порядок выполнения работы

а) Собрать схему взаимной нагрузки для испытания двигателя Д1.

б) Осуществить проверку правильности включения испытуемой и вспомогательных машин (пп.1.4.2-1.4.5).

в) Произвести запуск установки и установить испытательный режим, который задает преподаватель.

г) После окончания испытаний установку отключить.

3.2.4 Содержание отчета

а) Виды испытаний тяговых электродвигателей.

б) Программа приемо-сдаточных испытаний.

в) Схема испытаний двигателя методом взаимной нагрузки применительно к лабораторной установке с указанием направлений всех ЭДС и токов (на бланке).

г) Схемы проверок правильности включения машин по пп. 1.4.4 и 1.4.5 с указанием направлений ЭДС и токов и их результаты (на бланках).

д) Схемы проверок правильности включения машин по пп. 1.4.4 и 1.4.5 (для испытания двигателя Д2) с указанием направлений ЭДС и токов и их результаты. Исследовать схемные изменения при испытаниях двигателей Д1 и Д2 и сделать соответствующие выводы.

3.2.5 Контрольные вопросы

а) Какие вида испытаний тяговых электрических машин установлены ГОСТ 2582-72?

б) Программа приемо-сдаточных испытаний и их назначение.

в) Программа типовых испытаний и их назначение.

г) Каковы сроки периодических испытаний?

д) Способы нагружения тяговых двигателей при испытаниях, их преимущества и недостатки.

е) В чем заключается метод взаимной нагрузки для испытания двигателей?

ж) Назначение вольтодобавочной машины в схеме взаимной нагрузки.

з) Назначение линейного генератора в схеме взаимной нагрузки.

и) Каким образом можно регулировать режим испытуемого двигателя в схеме взаимной нагрузки?

к) Каким образом регулировать напряжение на двигателе в схеме взаимной нагрузки?

л) Какова эффективность метода взаимной нагрузки при испытании двигателей?

м) Как изменить направление вращения испытуемого двигателя?

н) В каком состоянии будут находиться машины, предназначенные для испытаний, если работает ВДМ, а ЛГ отключен?

3.3 Лабораторная работа №2. Исследование работы схемы взаимной нагрузки и определение сопротивлений обмоток двигателей в холодном состоянии

Цель работы:

1. Уяснить назначение вольтодобавочной машины линейного генератора в схеме взаимной нагрузки, определить параметры ВДМ и ЛГ.

2. Определить сопротивления схем обмоток двигателей Д1 и Д2 в практически холодном состоянии.

3.3.1 Пояснения к работе

В соответствии с законом сохранения энергии установка взаимной нагрузки может работать только в том случае, если все потери энергии в двигателе и генераторе будут возмещены вспомогательными машинами: ВДМ и ЛГ. Следовательно, электрическая мощность этих машин должна быть равна сумме всех потерь в двигателе и генераторе.

Для выяснения функций ВДМ и ЛГ в схеме взаимной нагрузки рассмотрим уравнения равновесия напряжений цепей двигателя и генератора (см. рис. 1.2):

(3.1)

(3.2)

(3.3)

(3.4)

ЭДС двигателя и генератора примерно равны: , так как (двигатели одного типа), (по обмоткам возбуждения обеих машин протекает одинаковый ток ), (валы машин соединены муфтой).

Из (2.1) и (2.2) получим

(3.5)

Умножив левую и правую части (3.5) на и пренебрегая величиной , получим

(3.6)

Электрические потери в обмотках двигателя и генератора

(3.7)

Если принять, что , то из сравнения (3.6) и (3.7) можно заключить, что мощность ВДМ расходуемой на покрытие электрических потерь в двигателе и генераторе.

В действительности , а следовательно, ВДМ компенсирует не все электрические потери в испытуемых машинах, а только их большую часть

(3.8)

Линейный генератор компенсирует механические , магнитные и добавочные потери в двигателе и генераторе, а также часть электрических потерь

(3.9)

Из (3.6) и (3.7) можно получить, что

 (3.10)

Испытание машин методом взаимной нагрузки позволяет получить значительную экономию энергии. На испытания затрачивается лишь 20-30% от мощности, развиваемой испытуемым двигателем.

При изменении нагрузки двигателя происходит изменение мощностей ЛГ и ВДМ (3.6) и (3.9).

Для снятия зависимостей и следует изменять ток двигателя, поддерживая напряжение на испытуемом двигателе постоянным, и фиксировать при этом величины , , , и .

При выполнении последующих лабораторных работ потребуется знать сопротивления всех обмоток испытуемых двигателей. Для определения сопротивлений ГОСТ 11828-75 рекомендует использовать один из следующих методов: вольтметра и амперметра, одинарного моста (Уитстона) или двойного моста (Томпсона), омметра логометрической системы. Если сопротивление обмотки меньше 1 Ом, то применение одинарного моста не допускается. Значение постоянного тока должно быть таким, чтобы адиабатическое повышение температуры обмотки за время измерения не превышало 1 °С. Если сечение обмотки неизвестно, то измерительный ток должен быть меньше 0,15-0,20 от номинального.

Сопротивление обмоток измеряют в практически холодном состоянии, т.е. если температура коллектора отличается от температуры окружающего воздуха не более чем на 3°С. Температуру окружающего воздуха измеряют тремя термометрами, расположенными на уровне вала машины и на расстоянии от нее не более 1 м. Температуру коллектора определяют термометром, ртутный шарик которого, обернутый фольгой, плотно прижимают на 5-7 мин к коллекторным пластинам и прикрывают сверху асбестом. В настоящей работе используется метод амперметра и вольтметра.

Точность определения сопротивления зависит от класса точности приборов. Поэтому для измерения сопротивлений рекомендуется пользоваться приборами класса точности 0,2 или 0,5.

Для определения сопротивления обмоток необходимо одновременно замерить величины тока в обмотке и падение напряжения на ней . Тогда

(3.11)

При определении сопротивления обмотки якоря нельзя подключить вольтметр к зажимам машины и даже непосредственно к щеткам, так как в этом случае в показания прибора будет входить сумма падений напряжения в самой обмотке и в щеточном контакте, что может сильно повлиять на результат определения r. Поэтому вольтметр необходимо подключать непосредственно к коллектору машины специальными щупами или с помощью измерительных щеток, выводные клеммы которых расположены на вертикальной панели стенда.

Кроме того, вследствие асимметрии обмотки якоря сопротивление ее при различном положении по отношению к щеткам может быть разным. Для уменьшения ошибки измерения сопротивления производят при нескольких положениях якоря.

Следует иметь в виду, что методом амперметра и вольтметра сопротивление обмотки при вращении якоря измерить нельзя, так как вольтметр, подключенный к щеткам, будет измерять ЭДC машины, которая во много раз больше падения напряжения.

3.3.2 Порядок выполнения работы

1. Собрать схему взаимной нагрузки, включив дополнительно в цепь двигателя Д1 амперметр класса 0,5 на предел измерения 1,5 А. При незначительном увеличении напряжения убедиться в правильности включения прибора. ЛГ временно отключить.

2. Измерить температуру окружающей среды и температуру коллектора.

3. Подготовить к измерениям вольтметр класса 0,5 со щупами, установив предел измерения 3 В.

4. Определить цену деления шкал амперметра и вольтметра в А/дел. (или В/дел.):

где - предел измерения, установленный на приборе (А или В);

- количество делений шкалы.

5. Путем незначительного увеличения напряжения ВДМ установить ток в цепи двигателя 1 А. Подключая вольтметр к выводным клеммам обмоток главных и добавочных полюсов и к выводам потенциальных щеток, снимать одновременно показания амперметра и вольтметра в делениях шкалы для каждой из обмоток. Измерения повторить три раза, изменяя ток при каждом измерении на 0,2. А. При каждом измерении сопротивления обмотки якоря изменять его положение на 120°.

6. Пересчитать показания приборов, снятые в делениях, в амперы или вольты.

Сопротивления обмоток определить как среднюю арифметическую величину трех опытных значений для каждой обмотки, найденных по (3.11).

Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 3.1.

Таблица 3.1. Температура окружающей среды,... °С

Испытуемый двигатель	Наименование обмотки	№ замера			Ом	Ом
			дел.	В	дел.	А
Д1	Я1	1
		2
		3
	ГП1	1
		2
		3

Переключить амперметр на предел измерений 30 А!

7. Произвести запуск машин и проверить возможность регулирования нагрузки двигателя.

8. Снять зависимости мощностей ЛГ и ВДМ от тока испытуемого двигателя Д1, который изменять от 5 до 20 А (через 1,5 А), поддерживая напряжение постоянным с помощью ЛГ. При каждом значении одновременно фиксировать величины , , и . Рассчитать по (2.6) и (2.9) и .

Результаты наблюдений и расчетов свести в таблицу 3.2.

Таблица 3.2

№ замера	,А	, В	, А	, В	, А	, Вт	, Вт

9. По данным табл. 3.2 построить зависимости: , , .

10. Рассчитать зависимость по формуле (2.7), используя величины сопротивлений, определенные опытным путем, и нанести ее на график. Сравните зависимости и .

3.3.3 Содержание отчета

1. Схема измерений сопротивлений обмоток машины методом амперметра и вольтметра (на бланке).

2. Таблица результатов измерений (табл.2.1 и 2.2).

3. Графики зависимостей , , ,

4. Исследовать и объяснить характер полученных зависимостей и дать заключение о назначении ВДМ и ЛГ в схеме взаимной нагрузки.

3.3.4 Контрольные вопросы

а) Назначение вольтодобавочной машины в схеме взаимной нагрузки.

б) Назначение линейного генератора в схеме взаимной нагрузки.

в) Какие способы измерения сопротивления обмоток электрических машин рекомендует ГОСТ 11828-75?

г) Что означает термин "практически холодное состояние?

д) Какие требования предъявляются к измерительным приборам при измерении сопротивления методом амперметра и вольтметра?

е) В каких случаях нельзя использовать одинарный мост Уитстона для измерения сопротивлений?

ж) Почему нельзя измерить сопротивление обмотки якоря при его вращении?

з) Каким образом необходимо подключать вольтметр к обмотке якоря для измерения его сопротивления?

3.4 Лабораторная работа №3. Электромеханические характеристики двигателя

Цель работы: Изучить электромеханические характеристики двигателя последовательного возбуждения при полном и ослабленном возбуждении и оценить расхождение характеристик при различных направлениях вращения.

3.4.1 Пояснения к работе

Электромеханическими характеристиками на валу двигателя называются зависимости частоты вращения n, вращающего момента M и коэффициента полезного действия (КПД) от тока двигателя , , и .

Опытным путем характеристики можно получить при испытании двигателя методом взаимной нагрузки. Характеристики снимают при постоянном напряжении на зажимах испытуемого двигателя .

При регулировании тока происходит изменение напряжения на зажимах двигателя , так как

поэтому при установке нового значения тока двигателя необходимо изменить напряжение так, чтобы сохранялось условие .

Для получения скоростной характеристики нужно при каждом значении тока якоря замерить частоту вращения n.

Для получения характеристики КПД необходимо определить потери в двигателе при каждом значении тока двигателя и рассчитать КПД по формуле

При испытании двигателя методом взаимной нагрузки потери в нем определяют по формуле, Вт

...