 |
Программа исследований. Обработка результатов измерений. Контрольные вопросы. Лабораторная работа №3. Исследование электромеханического преобразования энергии
|
|
|
|
Программа исследований
- Ознакомиться с конструкцией лабораторного стенда и теоретической частью работы.
- Для двух различных значений мощности питания элемента Пельтье (ЭП) снять зависимости температур теплой и холодной стороны от времени. Результаты измерений занести в таблицу 2. 1.
- Исследовать работу ЭП в генераторном режиме. Снять зависимость тока и напряжения в генераторном режиме от разницы температур теплой и холодной сторон с одновременной фиксацией времени. Результаты эксперимента свести в таблицу 2. 2.
Таблица 2. 1 – Результаты измерений
| ТГОР, 0С | ТХОЛ, 0С | t, сек |
| РВХ1 = …., UВХ = …., IВХ = …. | ||
| 10 измерений | 0 …. | |
| РВХ2 = …, UВХ = …., IВХ = …. | ||
| 10 измерений | 0 …. | |
Таблица 2. 2 – Исследование генераторного режима элемента Пельтье
| UВЫХ, В | IВЫХ, А | РВЫХ, Вт | ТГОР, 0С | ТХОЛ, 0С | t, сек |
| 10 измерений | |||||
Обработка результатов измерений
- В одной координатной оси построить зависимости температур теплой и холодной стороны ЭП о времени для трех значений входной мощности.
- Зная величину теплоемкости радиатора (СAl = 920 Дж/кгК) и массу радиатора холодной и теплой стороны (по 50 г), рассчитать величину выделенной и поглощенной тепловой энергии по выражению:
(2. 1)
- Определить КПД ЭП для режима нагревания и охлаждения:
(2. 2)
- Построить зависимость КПД от входной мощности.
- Для генераторного режима построить зависимости выходной мощности и разницы температур от времени.
- Построить зависимость выходной мощности от разницы температур.
- Сделать выводы по проделанной работе.
Контрольные вопросы
- Опишите эффект Пельтье.
- Опишите, что будет происходить, когда электроны в полупроводнике n-типа и дырки в полупроводнике р-типа будут двигаться навстречу друг другу.
- Опишите, что будет происходить, когда электроны в полупроводнике n-типа и дырки в полупроводнике р-типа будут двигаться в противоположные стороны.
- Объясните, что такое модуль Пельтье.
- Объясните характер зависимости перепада температур между радиаторами от напряжения и тока на входе преобразователя Пельтье.
- Описать способ установки преобразователя Пельтье, объяснить необходимость наличия радиаторов с каждой стороны преобразователя.
Лабораторная работа №3
|
|
|
Исследование электромеханического преобразования энергии
Цель работы
Теоретическое и практическое ознакомление с процессом преобразования электрической энергии в механическую и обратно. Оценить КПД электромеханического преобразования энергии.
Краткие теоретические сведения
Характерным признаком коллекторных машин постоянного тока является наличие у них коллектора – механического преобразователя переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость в этом объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток, так как только в этом случае происходит непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии.
На рис1 изображена упрощенная модель генератора постоянного тока: между полюсами N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть генератора – якорь, вал которого связан с некоторым приводным механизмом (на рисунке не показан), который выступает в качестве источника механической энергии. В продольных пазах на сердечнике якоря расположена обмотка в виде одного витка abcd, концы которой присоединены к двум медным изолированным друг от друга полукольцам, образующим простейший коллектор. На поверхность коллектора наложены щетки А и В, осуществляющий скользящий контакт с коллектором и связывающие генератор с внешней нагрузкой.
|
|
|
Рис. 1. Упрощенная модель коллекторной машины
Предположим, что приводной двигатель вращает якорь генератора против часовой стрелки, тогда в витке на якоре, вращающемся в магнитном поле постоянного магнита, наводится ЭДС, мгновенное значение которого e=2Blv, а направление для положения якоря, изображенного на рисунке, указано стрелками.
В процессе работы генератора якорь вращается и виток abcd занимает разное пространственное положение, поэтому в обмотке якоря наводится переменная ЭДС. Если бы в машине не было коллектора, то ток во внешней цепи (в нагрузке) был бы переменным, но посредствам коллектора и щеток переменный ток обмотки якоря преобразуется в пульсирующий ток во внешней цепи генератора, т. е. ток, неизменный по направлению. При положении витка якоря, показанного на рис. 2, ток во внешней цепи направлен от щетки А к щетке В; следовательно, щетка А является положительной, а щетка В – отрицательной. После поворота якоря на 180 градусов (рис. 2. 2 а) направление тока в витке якоря изменится на обратное, однако полярность щеток, а, следовательно, и направление тока во внешней цепи останутся неизменными (рис. 2. 2. б).
Рис. 2. К принципу действия генератора постоянного тока:
____ – ЭДС и ток в обмотке якоря; _ _ _ – ЭДС и ток во внешней цепи генератора
Объясняется это тем, что в тот момент, когда ток в витке якоря меняет свое направление, происходит смена коллекторных пластин под щетками. Таким образом, под щеткой А всегда находится пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным магнитным полюсом, а под щеткой В – пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. Благодаря этому полярность щеток генератора остается неизменной независимо от положения витка якоря. Что же касается пульсаций тока во внешней цепи, то они намного ослабляются при увеличении числа витков в обмотке якоря при их равномерном распределении по поверхности якоря и соответствующем увеличении числа пластин в коллекторе.
В соответствии с принципом обратимости электрических машин упрощенная модель машины постоянного тока может быть использована в качестве двигателя постоянного тока. Для этого необходимо отключить нагрузку генератора R и подвести к щеткам машины напряжение от источника постоянного тока. Например, если к щетке А подключить зажим «+», а к щетке В «-», то в обмотке якоря появится ток I, направление которого показано на рис. 3. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем постоянного магнита (полем возбуждения) появятся электромагнитные силы FЭМ, создающие на якоре электромагнитный момент М и вращающие его против часовой стрелки. После поворота якоря на 180 градусов электромагнитные силы не изменят своего направления, т. к. одновременно с переходом каждого проводника обмотки якоря из зоны одного магнитного полюса в зону другого полюса в этих проводниках меняется направление тока.
|
|
|
Рис. 3. К принципу действия двигателя постоянного тока
Таким образом, назначение коллектора и щеток в двигателе постоянного тока – изменять направление тока в проводниках обмотки якоря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности в зону полюса другой полярности.
Рассмотренная упрощенная модель машины постоянного тока не обеспечивает двигателю устойчивой работы, т. к. при прохождении проводниками обмотки якоря геометрической нейтрали n, n` (рис. 3) электромагнитные силы равны нулю (магнитная индукция в середине межполюсного пространства равна нулю). Однако с увеличением числа проводников в обмотке якоря (при равномерном их распределении на поверхности якоря) и числа пластин коллектора вращение якоря двигателя становится устойчивым и равномерным.
ЭДС машины постоянного тока определяется выражением:
(1)
где: СЕ – конструктивный коэффициент, постоянный для конкретной машины; Ф – основной магнитный поток, Вб; n – частота вращения якоря, об/мин.
Зависимость момента электрической машины от тока:
, (2)
где: I – ток в цепи якоря машины, А.
|
|
|
