Лабораторная работа № 3. Электромеханический накопитель

Лабораторная работа № 3. «Электромеханический накопитель энергии»
Задание
1. Ознакомиться с моделью электромеханического накопителя энергии и измерительными приборами.
2. Построить временные зависимости потребляемой мощности фазных напряжения и тока, угловой скорости и коэффициента мощности при разгоне махов
3. Определить КПД накопителя при заряде.
4. Построить временную зависимость угловой скорости при свободном выбеге
ротора.
5. Оценить коэффициент трения в подшипниках маховика.
Теоретическая часть. Электромеханическим накопителем (ЭМН) называется
устройство для запасания и хранения механической энергии с последующим ее
преобразованием и отдачей в форме электрической энергии для дальнейшего использования. ЭМН представляет собой конструктивно объединенные в одной
установке механический инерционный накопитель маховик, раскручиваемый
пружиной, турбиной или электромотором, и электрический генератор постоянного или переменного ток Такие устройства можно рассматривать как усилители
электрической мощности. За значительное время разгона маховика tз (время заряда накопителя) электромотор потребляет относительно небольшую усредненную мощность Pз. В режиме разряда генератор отдает усредненную мощность Pз
за время tр<<tз.
В зависимости от значений tр могут иметь место две основные разновидности разрядного режима:
- относительно длительное (tр~1..10c) динамическое торможение ротора электромагнитными силами в активной зоне генератора;
- кратковременный пиковый режим ударного разряда (tр~10-3 ...10-2 с), также
сопровождающийся торможением ротора.
В обоих случаях, с учетом потерь трение агрегата, а также электрических и
1
магнитных потерь в генераторе, в электроэнергию преобразуется часть запасенной маховиком кинетической энергии, которая составляет величину.
W=J(12-22 )/2,
(1)
где J -суммарный момент инерции маховика и ротора генератора, 1 и 2 начальное и конечное значения угловой скорости вращения.
Одним из важных параметров, характеризующих ЭМН, является время
разгона ротора tз, определяющее быстродействие процесса заряда установки.
Аналитически эта величина может быть найдена из уравнения движения
J(dΩ /dt)=Mэ-Мтр
(2)
где Мтр - момент сопротивления, определяемый силами трения в подшипниках и
трения вращающихся частей ЭМН о воздух; Мэ - электромагнитный момент, развиваемый приводным двигателем.
Если привод осуществляется от асинхронного двигателя (АД) малой мощности, то зависимость Мэ от скольжения S может быть представлена упрощенной
формулой (Клосса)
Мэ=2Мm/(Sm-1 S+SmS-1)
(3)
где Mm и Sm - соответственно максимальное значение Мэ и критическое скольжение.
С учетом того, что =(1-S)0 (0 =2πf/p -частота вращения магнитного поля статора) после подстановки (3) в (2) и пренебрегая Мтр, разделив переменные
и проинтегрировав, получим выражение для времени заряда tз ЭМН

 0 J  1
S32
t3 

 Sm ln S3 ,

2 M m  2 Sm 2 Sm

(4)
где Sз-скольжение ротора в момент окончания заряда.
Типичная зависимость момента от скольжения для асинхронных двигателей представлена на рис. 3.1 и обозначена цифрой 1. Однако, для гиродвигателей,
обладающих большим моментом инерции ротора, максимальный электромагнитный момент должен соответствовать пусковому режиму (кривая 2), что обеспе-
2
чивается соответствующим выбором активного сопротивления обмоток ротора.
Поэтому для гиромотора Мм=Мпуск при Sm=1. Т-образная схема замещения АД
для фазы статора и ротора приведена на рис. 3.2.
На рис. 3.2 обозначены: X1, R1 - индуктивное и активное сопротивление фазы
статора; X и R - параметры контура намагничивания; X2', R2' –индуктивное и
активное сопротивления фазы ротора; приведенные к обмотке статора; S –
скольжение. При разгоне ротора ЭМН от АД затрачивается энергия
W3 
t3
t3
0
0
 P(t )dt   mUф I ф cos (t )dt  Wк  Wтр  Wэл  Wмагн ,
где Uф, Iф -соответственно напряжение и ток фазы обмотки статора, m-число фаз;
φ-угол между векторами тока и напряжения, P - мощность, затраченная при заряде ЭМН; Wк - кинетическая энергия, запасенная ротором, Wтр - энергия
,затраченная на преодоление сил трения; Wэл - энергия электрических потерь в
обмотках АД и проводах; Wмагн -энергия магнитных потерь на вихревые токи и
гистерезис.
При динамическом торможении ЭМН в нагрузку поступает полезная электрическая энергия
tp
Wý 
 Pн (t ) dt ,
0
где Pн-мощность, выделяемая в нагрузке.
Описание лабораторной установки. Исследуемая модель ЭМН выполнена на
базе асинхронного гиромотора ГМ-4, имеющего следующие паспортные данные:
линейное напряжение питания
частота тока фазы
момент инерции ротора
кинетический момент
масса
габариты ротора
размеры статора
воздушный зазор
36
400
1,3 10-4
0,3
0,4
внеш*h=50*32
внеш*h=29,8*11
0,1
В
Гц
кг м2
кг м2 /с
кг
мм
мм
мм
3
провод
число витков катушки
шаг намотки по пазам
число пар полюсов
число катушек в фазе
обмотка 2-х слойная, петлевая, распределенная
пусковой ток
пусковой момент
номинальный ток
время разгона
время выбега
номинальная частота вращения ротора
потребляемая мощность
ПЭВ-2  0,27
45
1-6
1
4
мм
0,7
2,8 10-3
0,225
150
7
21500
8
А
Нм
А
с
мин
мин-1
Вт
В режиме заряда через выключатель SА1 (рис. 3.4) переменное напряжение 208/115 В частотой 400 Гц подается на первичные обмотки w1 трансформатора Т1. К вторичным обмоткам подключен через измерительный комплекс К505
и разъем X1 гиромотор, имеющий внешнее расположение ротора по отношению
к статору и моделирующий ЭМН. Происходит разгон ротора до номинальной частоты вращения и запасание в нем кинетической энергии.
Комплект К505 позволяет измерять фазные напряжения, токи и активные
мощности, потребляемые при заряде ЭМН и генерируемые им при разряде.
Частота вращения ротора "n" измеряется с помощью измерительной катушки, сигнал в которой наводится постоянным магнитом, расположенном на роторе. Сигнал катушки выпрямляется однополупериодным выпрямителем и преобразуется усилителем в прямоугольные импульсы (рис. 3.3) , частота которых
измеряется частотомером. Визуальный контроль за импульсами осуществляется
с помощью осциллографа PN1. Затем SА1 выключается и ЭМН находится в режиме хранении энергии.
Для осуществления процесса разряда необходимо тумблер SА1 перевести
в положение "нагрузка". Кнопкой SВ1 к обмоткам АД подключается батарея конденсаторов C1...C3, обеспечивающих возбуждение асинхронного генератора.
4
В режиме разряда трансформатор Т1 работает как повышающий, и к его
обмоткам w1 подключен 3-х фазный двухполупериодный выпрямитель, выполненный на диодах VD1...VD6. Выпрямленное напряжение обеспечивает заряд
емкостного накопителя С4 и конденсатора С5 в цепи управления нагрузкой - импульсной лампой ЕL типа ИФК-20, представляющей из себя стеклянный баллон,
наполненный инертным газом -ксеноном, и имеющей три электрода: положительный, отрицательный и поджигающий.
Паспортные данные импульсной лампы следующие:
номинальная энергия вспышки
номинальное напряжение на питающем конденсаторе
номинальная емкость конденсатора
минимальное напряжение зажигания
напряжение самопробоя
интервал между импульсами
длительность вспышки
фактор нагрузки СU4 (МКФ кВ4)
20
130  10
Дж
В
2700  300
100
700
10
0,0002
1
мкФ
В
В
с
с
Емкость питающего конденсатора и напряжение, до которого он заряжается, могут отличаться от номинальных, но при этом должно выполнятся условие,
удовлетворяющее фактору нагрузки. В данном лабораторном стенде использован
в качестве питающего, электролитический конденсатор емкостью 100 мкФ с максимальным напряжением заряда 300 В. Готовность к разряду указывается индикаторной лампой HL. При ее загорании кнопка SB1 может быть отпущена. При
нажатии кнопки SВ3 происходит разряд конденсатора С5 на первичную обмотку
импульсного трансформатора Т2, развивающего на вторичной обмотке напряжение в несколько киловольт. Это напряжение приложено к поджигающему электроду лампы EL, что обеспечивает возникновение разряда. Таким образом, лампа
ЕL сочетает в себе функции нагрузки и разрядного устройства. Конденсатор С4
необходим для быстрой отдачи энергии в нагрузку, так как характерное время
вывода энергии из ЭМН находится в диапазоне 10-2...10с, а длительность свето-
5
вого импульса лампы составляет всего 210-4 с. Величина напряжения, до которого заряжается конденсатор С4 измеряется цифровым вольтметром PV2. Токи и
напряжения при заряде и разряде С4 определяются с помощью запоминающего
осциллографа PN2.
Порядок работы
1. Провести запуск ЭМН (тумблер SА1 в положении "сеть").В процессе разгона
ротора измеряются время разгона tз, ток фазы Iф, фазное напряжение обмотки
статора Uф двигателя, потребляемая активная мощность фазы Pф, заполняется
таблица,
tз,c
Iф, А
Uф, В
Pф,Вт
n, с-1
cos φ
0 5
15
30
45
60
75
90
105 120 135 150
и строятся соответствующие временные зависимости Iф(t), Uф(t), Pф (t), cos φ(t), n
(t). Β случае необходимости для проведения повторных измерений динамическое
торможение ротора производится кнопкой SВ1 в положении выключателя
SA1"нагрузка" или "выкл". Коэффициент мощности определяется по формуле
cos φ= Pф/(Uф Iф)
2. По графику Pф(t) определяется энергия, затраченная на разгон
t3
W3   mPф (t )dt
0
3. Определить КПД зарядного процесса
  J (2n) 2 2W3  WK W3
4. По формуле (4) определить tз и сравнить его с измеренным. Сопоставить расчетное и измеренное время разгона маховика.
5. Оценить коэффициент трения в подшипниках по формуле
6
f тр  WK
t2
0,5gMdв  2ndt ,
t1
где g=9.81м/с2; М - масса ротора, определяемая через его момент инерции;
dв=8мм-диаметр вала, t1 и t2-время начала свободного выбега и полной остановки
ротора. Выбег обеспечивается отключением обмоток АД от сети. В течение времени выбега определяются временная зависимость частоты вращения ротора.
t,с
n, с-1
0 30
60
90
120 150 180 240 300 330 360 390 420
6. Запустив двигатель и доведя частоту вращения до номинальной перевести
тумблер SA1 в положение "нагрузка" и, нажав кнопку SB1 произвести заряд емкости С4, сняв осциллограммы зарядного тока и напряжения.
7. Нажав кнопку SB3 произвести разряд , сняв осциллограммы разрядного тока и
напряжения.
8. Определить мощность процесса разряда.
9. Определить КПД накопителя при однократном разряде.
7
Рис. 3.1. Типичная зависимость момента от скольжения для асинхронных двигателей
Рис. 3.2. Т-образная схема замещения асинхронного двигателя
Рис. 3.3. Форма сигнала в измерительной катушке и на выходе усилителя
8
9