Электрооборудование и электропривод : исследование характеристик электропривода с использованием программного обеспечения Labdrive

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 446 

Кафедра электротехники и микропроцессорной электроники

В.Е. Фединцев 
М.С. Анисимова 
А.Б. Ваттана 

Электрооборудование 
и электропривод 

Исследование характеристик электропривода  
с использованием программного обеспечения 
Labdrive 

Лабораторный практикум 

Под редакцией профессора Ф.И. Маняхина 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2011 

УДК 621.3 
 
Ф32 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, проф. С.М. Ионов 

Фединцев, В.Е. 
Ф32  
Электрооборудование и электропривод : исследование характеристик электропривода с использованием программного 
обеспечения Labdrive : лаб. практикум / В.Е. Фединцев, 
М.С. Анисимова, А.Б. Ваттана / под ред. Ф.И. Маняхина. – М. : 
Изд. Дом МИСиС, 2011. – 93 с. 
 

Приведены описания лабораторных работ по электрооборудованию и 
электроприводу, основные теоретические положения, общие методические 
рекомендации, представлены основные положения по программированию 
электропривода с микропроцессорным управлением и правила техники безопасности при работе на лабораторных стендах «Электрический привод». Рассмотрены основные принципы исследования характеристик привода с использованием программного обеспечения Labdrive. 
Предназначен для студентов, обучающихся по направлению 150100 профиль 150106 и направлению 150400 профиль 150404. 
 

 
© Фединцев В.Е., 
Анисимова М.С., 
Ваттана А.Б., 2011 

СОДЕРЖАНИЕ 

Методические указания ...........................................................................4 
Указания по технике безопасности.........................................................6 
Лабораторная работа 1. Исследование пусковых  и тормозных 
режимов двигателя постоянного тока ....................................................8 
Лабораторная работа 2. Исследование трехфазного  
асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором .....................17 
Лабораторная работа 3. Исследование характеристик  
синхронной машины ..............................................................................25 
Лабораторная работа 4. Исследование системы двухзонного 
регулирования скорости двигателя постоянного тока  
независимого возбуждения....................................................................33 
Лабораторная работа 5. Исследование системы подчиненного 
регулирования параметров двигателя постоянного тока....................43 
Лабораторная работа 6. Исследование преобразователя  
частоты Unidrive SP0401........................................................................57 
Лабораторная работа 7. Исследование разомкнутой системы 
частотно-регулируемого асинхронного привода.................................65 
Лабораторная работа 8. Исследование замкнутой системы  
частотно-регулируемого асинхронного привода.................................72 
Литература ..............................................................................................82 
Приложение 1. Описание работы программного обеспечения 
Labdrive....................................................................................................83 
Приложение 2. Тиристорный преобразователь ...................................86 
Приложение 3. Преобразователь частоты Unidrive SP0401 ...............88 
Приложение 4. Описание работы программного обеспечения 
Labshow ...................................................................................................92 
 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ 

Лабораторные работы в группах проводятся в соответствии с расписанием учебных занятий в институте и в течение определенного 
времени. 
Для выполнения работ студент должен выполнять следующие 
положения: 
– до проведения лабораторной работы ознакомиться с целью работы, теоретическим введением, оборудованием для проведения работы и объектами исследования по практикуму, подготовить отчет, 
который должен содержать соответствующие схемы, таблицы наблюдений и расчетные формулы. 
При выполнении работ необходимо соблюдать следующие требования: 
– перед сборкой электрической цепи студенты должны предварительно ознакомиться с электрическим оборудованием и его номинальными данными, а также с измерительными приборами, предназначенными для проведения соответствующей лабораторной работы; 
– сборку электрической цепи необходимо производить в точном 
соответствии с заданием; 
– после окончания сборки электрическая цепь должна быть 
предъявлена для проверки; 
– включать цепь под напряжение можно только с разрешения 
преподавателя; 
– результаты измерений заносить в рабочую тетрадь; 
– в процессе выполнения лабораторной работы запись показаний 
всех приборов следует производить по возможности одновременно и 
быстро; 
– после выполнения отдельного этапа лабораторной работы результаты опыта вместе с контрольными расчетами предъявить для 
проверки преподавателю до разборки электрической цепи; 
– разбирать электрическую цепь, а также переходить к сборке новой можно только с разрешения преподавателя. 

Оформление отчета о лабораторной работе 

Составление отчета о проведенных исследованиях является важнейшим этапом выполнения лабораторной работы. По каждой выполненной работе составляют отчет, руководствуясь следующими 
положениями: 

– указать название лабораторной работы, а также цель работы; 
– указать тип и номинальные данные испытуемых электрических 
машин и аппаратов, а также типы, номера, пределы измерений, классы 
точности и системы измерительных приборов, используемых при выполнении лабораторной работы (например, амперметр типа М 42100, 
№ 01985, магнитоэлектрической системы, 30 делений, предел измерений 3 А, кл. 1,5); 
– схемы и графики вычертить с помощью трафарета радиоинженера или циркуля и линейки с соблюдением принятых стандартных 
условных обозначений; 
– графические зависимости давать в прямоугольной системе координат с равномерными шкалами, произвольный перенос начала 
координат не допускается; 
– отчет по каждой лабораторной работе должен содержать основные выводы, характеризующие достижение указанной в описании 
цели работы, а также ответы на несколько контрольных вопросов по 
указанию преподавателя; 
– оформление отчета производится в соответствии с методическими указаниями по выполнению практикума; 
– защита отчета предполагает устные разъяснения по ходу выполнения исследований, проведению вычислений, а также устные ответы на контрольные вопросы; 
– частично защита отчета проводится до начала лабораторного 
занятия по тем пунктам отчета, которые могут быть выполнены без 
проведения экспериментальных исследований. То же самое относится и к контрольным вопросам, ответы на которые могут быть подготовлены до начала лабораторного занятия. 

УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ 

При работе в лаборатории электрооборудования и электропривода 
во избежание несчастных случаев, а также преждевременного выхода из строя приборов и электрооборудования студент при выполнении лабораторных работ должен строго выполнять следующие правила внутреннего распорядка и техники безопасности: 
1. Приступая в лаборатории к работе, студент должен ознакомиться с правилами внутреннего распорядка и техники безопасности. 
2. Студент обязан не только строго выполнять эти правила, но и 
требовать неуклонного выполнения их от своих товарищей. 
3. После ознакомления с правилами внутреннего распорядка и инструктажа по технике безопасности студент должен расписаться в 
соответствующем журнале. 
4. При работе в лаборатории категорически запрещается приносить с собой вещи и предметы, загромождающие рабочие места, способствующие созданию условий, которые могут привести к нарушению правил техники безопасности. 
5. В лаборатории запрещается громко разговаривать, покидать рабочие места и переходить от одного стенда к другому. 
6. Приступая к работе в лаборатории, студенческая группа делится 
на бригады, которые затем распределяются по лабораторным стендам. 
7. Лабораторная работа, пропущенная студентом, выполняется по 
разрешению деканата и особому расписанию. 
8. Сборку электрической цепи производят соединительными проводами при выключенном напряжении в строгом соответствии со схемой, 
представленной в лабораторном практикуме, обеспечивая при этом надежность электрических контактов всех разъемных соединений. 
9. При сборке электрической цепи необходимо следить за тем, 
чтобы соединительные провода не перегибались и не скручивались. 
10. Собранную электрическую цепь предъявляют для проверки 
преподавателю. 
11. Включение электрической цепи под напряжение (после проверки) производится только с разрешения и в присутствии преподавателя. 
12. При обнаружении неисправностей в электрической цепи необходимо немедленно отключить ее от питающей сети и доложить об 
этом преподавателю. 
13. Переключения и исправления в собранной электрической цепи производятся только при отключенном напряжении питания. 

14. 3апрещается прикасаться руками, карандашами и другими 
предметами оголенных токоведущих частей электрической цепи, находящихся под напряжением. 
15. При работе с конденсаторами следует помнить, что на их зажимах, отключенных от сети, некоторое время сохраняется электрический заряд. 
16. При обнаружении повреждений электрического оборудования 
и приборов, а также при появлении дыма, специфического запаха 
или искрения необходимо немедленно выключить напряжение и известить об этом преподавателя или лаборанта. 
17. После выполнения работы необходимо выключить напряжение, разобрать исследуемую электрическую цепь и привести в порядок рабочее место. 
18. В случае поражения человека электрическим током необходимо немедленно отключить напряжение. При потере сознания и дыхания немедленно освободить пострадавшего от стесняющей его одежды и делать искусственное дыхание до прибытия врача. 

Лабораторная работа 1 

ИССЛЕДОВАНИЕ ПУСКОВЫХ  
И ТОРМОЗНЫХ РЕЖИМОВ ДВИГАТЕЛЯ 
ПОСТОЯННОГО ТОКА 
(2 часа) 

1.1. Цель работы 

Ознакомление с принципом действия и исследование пусковых и 
тормозных характеристик двигателя постоянного тока независимого 
возбуждения. 

1.2. Теоретическое введение 

Двигатель постоянного тока (ДПТ) состоит из трех основных частей (рис. 1.1): станина 1 с главными 2 и дополнительными полюсами 
9, якорь 3 и коллектор 5. 

 

Рис. 1.1. Эскиз машины постоянного тока 

Станина – это неподвижная часть машины, на которой крепятся полюса. Полюса набирают из стальных пластин. В машинах малой и средней мощности к торцам станины прикреплены подшипниковые щиты, в 
которых вращается вал 8. В машинах большой мощности подшипники 
отделены от станины. На полюсах станины расположена обмотка возбуждения 6. В зависимости от способа подключения якоря и обмотки 
возбуждения (LM) различают двигатели параллельного, независимого 
(рис. 1.2), последовательного и смешанного возбуждения. В машинах 
небольшой мощности используются постоянные магниты. 

 

Рис. 1.2. Схемы включения двигателей постоянного тока: 
а – независимого возбуждения; б – параллельного возбуждения;  
М – якорь; LM – обмотка возбуждения; Lд.п – дополнительные полюса 

На валу крепятся якорь и коллектор. Цилиндр якоря набирается из 
дисков, штампованных из листовой электротехнической стали и изолированных друг от друга. На внешней поверхности якоря проточены пазы, в которые уложены проводники обмотки якоря 4. 
Коллектор набирается из медных изолированных пластин, соединенных с проводниками обмотки якоря. Подвод напряжения к обмоткам якоря осуществляется через графитовые щетки 7, которые 
закреплены на станине и прижимаются к пластинам коллектора. Щеточно-коллекторное устройство осуществляет скользящий контакт с 
вращающейся обмоткой якоря и обеспечивает получение постоянного по направлению тока в проводниках якоря. 
Для создания двигательного режима работы машины к зажимам 
обмотки возбуждения подключают напряжение Uв и к зажимам якоря напряжение U. Протекающий в обмотке возбуждения ток Iв 
(см. рис. 1.2) или постоянные магниты создают постоянный магнитный поток Ф. На каждый проводник якоря с током, находящийся в 
постоянном магнитном поле, действует электромагнитная сила F. 
Направление этой силы определяется по правилу левой руки. Пара 
сил создает вращающий момент М: 

Ф
M
М
k
I
=
, 
(1.1) 

где 
M
k
 – конструктивная постоянная момента машины. 

Под действием момента якорь приводится во вращение, проводники его пересекают магнитные силовые линии и в них индуцируется ЭДС, направленная встречно приложенному напряжению U, и поэтому называется противоЭДС Eя: 

 
я
Ф
е
Е
k
n
=
, 
(1.2) 

где 
еk  – конструктивная постоянная ЭДС машины, 
9,55
=
M
е
k
k . 

Уравнение электрического равновесия для якорной цепи двигателя 

 
я
я
U
E
R I
=
+
, 
(1.3) 

при U > Ея машина работает в двигательном режиме, при U < Ея – в 
генераторном режиме. 
Из уравнения (1.3) ток двигателя 

 
я
я
(
)/
=
−
I
U
E
R , 
(1.4) 

где Rя – сопротивление якорной цепи. 

При пуске двигателя, когда n = 0 и Eя = 0, пусковой ток 
п
я
/
I
U R
=
 
значительно превышает номинальный ток двигателя вследствие малости Rя, поэтому нельзя пускать двигатели независимого и параллельного возбуждения при номинальном напряжении. Для ограничения 
пускового тока ДПТ независимого возбуждения пускают при пониженном напряжении U < Uн, а для пуска ДПТ параллельного возбуждения последовательно с якорем включают пусковые реостаты. 
Уравнение механической характеристики. Механическая характеристика – зависимость частоты вращения от вращающего момента 
двигателя n = f(M) в статическом режиме. Решая совместно выражения 
(1.1), (1.2), (1.3), получим уравнение механической характеристики 

 

я
2
Ф
Ф
=
−

е
е
М

R
U
n
M
k
k k
 
(1.5) 

или 

 
0
п
п
п
=
−Δ , 

где п0 – частота вращения идеального холостого хода; 
Δп – падение частоты вращения при увеличении нагрузки. 

Из уравнения (1.5) видно, что зависимость n = f(M) носит линейный 
характер (рис. 1.3). Механическую характеристику ДПТ независимого 
возбуждения можно построить по двум точкам: 1) М = 0, n = n0;  
2) M = Mн, n = nн. 
Машины постоянного тока обратимы, могут работать как в двигательном, так и в генераторном режимах (см. рис. 1.3). 
В паспортных данных двигателя приводятся номинальные параметры: Рн – номинальная мощность, кВт; пн – номинальная частота 
вращения, об/мин. По этим данным рассчитывается номинальный 
момент, Н⋅м: 

 

н
н
н

9550Р
М
п
=
. 
(1.6) 

Кроме того, двигатели допускают кратковременную перегрузку: 

н
max
н
max
н
М
М
I
I
λ =
=
при частоте вращения от 0 до пн. Для двигателей общепромышленного применения 
н
2...3,5
λ =
. 
Для быстрого останова двигателя применяют электрические способы торможения. При торможении или реверсе двигатель работает в 
тормозном (генераторном) режиме на одной из механических характеристик, соответствующих способу торможения.  
Электрическое торможение ДПТ можно осуществить одним из 
трех способов: 1) рекуперативное торможение; 2) динамическое торможение; 3) торможение противовключением. 

 

Рис. 1.3. Естественная механическая характеристика ДПТ