Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Краткие теоретические сведения. Лабораторная работа №8

Лабораторная работа №8

Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением

Целью работы является экспериментальное исследование характеристик и способов регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока.

Краткие теоретические сведения

Электродвигатели постоянного тока (ДПТ) являются электромеханическими преобразователями электрической энергии постоянного тока в механическую, которая в виде полезного момента снимается с их вала и используется для привода различных исполнительных механизмов, установок и приборов. Они отличаются простотой регулирования частоты вращения.ДПТобратимы, т.е. могут работать как в генераторном, так и в двигательном режимах.

Основными частями ДПТ являются статор (индуктор) и ротор (якорь) рис. 8.1.

Статор состоит из стального корпуса 1, к которому крепятся основные полюса 2 с полюсными наконечниками 3, образуя вместе с корпусом магнитопровод. Полюсные наконечники служат для равномерного распределения магнитной индукции в зазоре между полюсами статора и якорем. На основных полюсах расположены обмотки возбуждения 4, соединенные последовательно и предназначенные для создания магнитного поля двигателя.

Якорь (ротор) 5 представляет собой цилиндр с продольными пазами на поверхности, набранный из листов электротехнической стали и насаженный на вал 7, вращающийся в подшипниках. В пазы якоря укладывается обмотка 11. Коллектор 6, расположенный на валу, представляет собой цилиндр, набранный из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала. Обмотки якоря разделены на секции, каждая из которых размещается в двух его пазах. Выводы секции обмотки присоединяются к соответствующим пластинам коллектора (рис. 8.2).

 

Рис. 8.1. Конструкция двигателя постоянного тока.

 

 

Рис. 8.2. Способы подключения обмотки якоря к коллектору:

а) петлевой; б) волновой.

К коллектору с помощью пружины прижимается щеткодержатель со щеткой 8 (см. рис. 8.1), что обеспечивает соединение вращающей обмотки якоря с внешней электрической цепью. Щетки устанавливают на геометрической нейтрали (ГН) – линии, перпендикулярной оси машины. Дополнительные полюса 9 с обмоткой 10 служат для уменьшения искрения под щетками коллектора.

В зависимости от того, как включена обмотка возбуждения относительно якоря, различают ДПТ с независимым возбуждением и самовозбуждением, которая подразделяется на параллельное, последовательное и смешенное (рис. 8.3.).

Рис. 8.3. Схемы возбуждения двигателей постоянного тока:

а) независимое; б) параллельное; в) последовательное; г) смешанное.

Рассмотрим работу двигателей постоянного тока на примере двигателя с параллельным возбуждением.

Постоянное напряжение подается на обмотку возбуждения статора и, через коллектор, на обмотку якоря. Ток, протекающий по обмотке возбуждения, создает между полюсами статора постоянный магнитный поток

возбуждения Ф (рис. 8.4.).

Рис. 8.4. Распределение магнитного поля в ненагруженном двигателе.

 

При взаимодействии этого потока с током обмотки якоря возникают электромагнитные силы FЭМ (рис. 8.5.).

Коллектор ДПТ выполняет роль переключателя, обеспечивающего неизменность направления тока в проводах обмотки якоря, находящихся под полюсами статора. На рис 8.5 (а) показано направление действия электромагнитных сил, в случае если под северным полюсом ток направлен к нам, а под южным – от нас.

Рис. 8.5. Принцип действия двигателя (а) и схема замещения цепи якоря (б).

 

Совокупность электромагнитных сил создают вращающий момент МВР = М, значение которого определяется по выражению (8.1) и двигатель начинает вращаться.

М = СМ Ф IЯ(8.1)

где СМ – коэффициент, зависящий от конструкции обмотки якоря и числа пар полюсов двигателя;

Ф – магнитный поток главных полюсов двигателя;

IЯ – ток якоря двигателя.

При вращении якоря в его обмотке в результате пересечения магнитных силовых линий наводится ЭДС Е, направленная противоположно питающему напряжению. Ее величина определятся как

Е = СeФ n(8.2)

где Сe – коэффициент, зависящий от конструкции двигателя;

n – частота вращения якоря двигателя;

Применяя к схеме замещения цепи якоря (рис. 8.5.б) второй закон Кирхгофа, получаем уравнение электрического равновесия для ДПТ с параллельным возбуждением:

U = E + RяIя , В, (8.3)

где U – напряжение питания, В; E– противо-ЭДС, возбуждаемая в обмотке якоря, В; Rя∙- сопротивление обмотки якоря, Ом; Iя- ток в обмотке якоря, А.

Обмотки возбуждения обладают сопротивлением Rв.

Ток I, потребляемый двигателем с параллельным возбуждением из сети, равен сумме токов якоря Iя и тока возбуждения Iв.

I = Iя + Iв , А (8.4)

Величина тока Iв при U =Constи при неизменном сопротивлении обмотки возбуждения Rв не зависит от режима работы двигателя.

Потребляемая двигателем мощность Р1 определяется по формуле

Р1 = U∙I = U∙(Iя + Iв) , Вт (8.5)

Полезная механическая мощность Р2 , снимаемая с вала двигателя, рассчитывается по формуле

Р2 = 0,105 Мn , Вт (8.6)

где М– момент сопротивления на валу двигателя, Нм;

n – частота вращения вала двигателя, об/мин.

Из выражения (8.5) можно получить

М = 9,55 , Нм (8.7)

Рабочие свойства ДПТ оценивают по его механической, а также рабочим и регулировочным характеристикам, получаемым расчетным или опытным путем.

Механическая характеристика ДВП показывает зависимость частоты вращения якоря двигателя n от изменения вращающего момента М на его валу при U =Const.

n = = об/мин (8.8)

где n– частота вращения двигателя, об/мин;

U- подводимое напряжение, В;

Ф- магнитный поток, Вб;

М- момент сопротивления на валу, Нм;

Rя- сопротивление обмотки якоря, Ом;

Ce, Cм–постоянные, определяемые конструктивными особенностями двигателя.

Зависимость (8.8) показывает, что регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока может осуществляться:

а) изменением сопротивления цепи якоря Rяпутем введения в эту цепь регулировочного реостата (практически не применяется из-за больших потерь мощности и перегрева реостата);

б) изменением магнитного потока Ф путем изменения тока Iвв цепи возбуждения, осуществляемого введением в эту цепь регулировочного реостата РР (рис. 8.6);

в) изменением напряжения U, подводимого к якорю двигателя.

 

Рис. 8.6. Электрическая схема двигателя с параллельным возбуждением.

 

Так как в начальный момент якорь двигателя неподвижен и противо-ЭДС отсутствует, а сопротивление Rя мало, то пусковой ток достигает максимального значения (до 10…25 Iя н ). Из выражения (8.3) при Е = 0 получаем

Iя пуск= , А (8.9)

Для ограничения пускового тока в цепь якоря вводят пусковой реостат РП (рис. 8.6)

Iя пуск= , А (8.10)

где Rп - сопротивление пускового реостата, Ом.

Пусковой реостат предназначен для кратковременного включения в цепь обмотки якоря двигателя на время пуска. Пользоваться эти реостатом в целях регулирования двигателя под нагрузкой не допускается из-за его перегрева.

Для того, чтобы время пуска двигателя было меньше, следует обеспечить возможно больший момент на его валу. Из выражения (8.1) видно, что это может быть достигнуто при наибольшем магнитном потоке Фммашины. Практически это означает, что любой пуск двигателя постоянного тока должен производиться при максимальном токе возбуждения (при минимальном сопротивлении цепи возбуждения), для чего обмотка возбуждения сразу включается на полное напряжение сети. Наличие максимального потока при пуске кроме сокращения его продолжительности, способствует быстрому уменьшению величины пускового тока.

При включенном пусковом реостате и минимальном сопротивлении цепи возбуждения максимальный пусковой ток для обычных двигателей постоянного тока находится в пределах 1,5…2 Iя н.

Отношение полезной механической мощности Р2 на валу двигателя к потребляемой из сети электрической мощности Р1 определяет коэффициент полезного действия КПД двигателей

η = ∙ 100% = ∙ 100%

ΔР= ΔРэРст + ΔРмех- сумма всех потерь двигателя постоянного тока, Вт.

где ΔРэ – электрические потери;

ΔРст – потери в стали статора и якоря;

ΔРмех – механические потери.

Электрические потери ΔРэ являются переменными, так как зависят от нагрузки и их значения может быть представлено как

ΔРэ = ΔРяРв + ΔРщ

где ΔРя = Iя2Rя – потери в обмотке якоря (при номинальном режиме составляют 50% всех потерь); ΔРв = Iв2 Rв – потери в обмотке возбуждения;

ΔРщ = Iя2 ΔUщ – потери на коллекторно-щеточном контакте; ΔUщ – падение напряжения между щеткой и коллектором (зависит от материала щеток: ΔUщ = 2 В для графитовых и 0,6 В для металлографитовых щеток.)

Потери в стали ΔРст связаны с вихревыми токами и перемагничивании якоря при его вращении и составляет 1 – 3% от номинальной мощности двигателя.

Механические потериΔРмех связаны с трением движущихся частей двигателя и составляют 1 -2 % от номинальной мощности двигателя. Эти потери, как и потери в стали, являются постоянными и не зависят от нагрузки двигателя. Их называют потерями холостого хода.

При работе ДПТ вхолостую Р2 = 0 и η= 0, при увеличении полезной мощности Р2 КПД растет. Двигатели рассчитывают так, чтобы максимальное значение КПД соответствовало номинальной мощности двигателя (при этом постоянные потери равны переменным). При нагрузке больше номинальной КПД уменьшается за счет значительного роста переменных потерь. Для машин мощностью 1 – 100 кВт номинальное значение КПД лежит в пределах 74 – 92 %.

Основными характеристиками ДПТ, получаемыми теоретически или экспериментально, являются его механическая характеристика, а также рабочие и регулировочные характеристики.

Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения n якоря от момента М на валу двигателя: n = f(М). Уравнением механической характеристики является выражение (8.8).Механическая характеристика двигателя с параллельным возбуждением представляет собой прямую с незначительным наклоном по мере роста момента на валу (рис.8.7). Такая характеристика называется «жесткой».

 

n

 


nном

 

 


МномМ

Рис. 8.7. Механическая характеристика ДПТ с параллельным возбуждением.

Жесткость механической характеристики объясняется тем, что при параллельном включении обмотки возбуждения, с ростом момента нагрузки, ток возбуждения Iв, а следовательно, и магнитный поток двигателя Ф остаются неизменными, а сопротивление якоря Rя сравнительно мало.

Рабочие характеристики ДПТ представляют собой зависимости частоты вращения n, момента М, тока якоря Iя и КПД η от полезной мощности Р2 на валу двигателя при неизменном напряжении на его зажимах U = const.

Рабочие характеристики ДПТ с параллельным возбуждением представлены на рис. 8.8.

Зависимость полезного момента на валу двигателя от нагрузки Р2 представляет собой почти прямую линию, так как момент этого двигателя пропорционален нагрузке на валу: М = 9,55 Р2/n. Искривление указанной зависимости объясняется некоторым снижением частоты вращения с увеличением нагрузки. При Р2 = 0 ток, потребляемый электродвигателем равен току холостого хода. При увеличении мощности, развиваемой электродвигателем, ток якоря увеличивается приблизительно по той же зависимости, что и момент нагрузки на валу, так как при условии Ф = const, ток якоря пропорционален моменту нагрузки.

Рис. 8.8 Рабочие характеристики двигателя с параллельным возбуждением.

В соответствии с тремя вышеуказанными способами регулирования частоты вращения двигателя, его регулировочными характеристиками являются зависимости: n = f(Rя), n = f(Iв), и n = f(Uя),

где Rя – сопротивление якорной цепи, равное сумме сопротивлений самого якоря и реостата регулирования тока возбуждения;

Iв – ток возбуждения, вызывающий пропорциональный ему магнитный поток возбуждения Ф;

Uя – напряжение, подаваемое на обмотку якоря, при соблюдении условия Ф = const, т.е. Iв = const.

Примерный вид регулировочных характеристик, получаемых из выражения (8.8) при условии М = const, представлен на рис. 8.9.

а) б) с)

Рис. 8.9. Регулировочные характеристики ДПТ с параллельным возбуждением

а) n = f(Rя), б) n = f(Iв) с) n = f(Uя).

План работы

1. Ознакомиться с конструкцией двигателя постоянного тока параллельного возбуждения, типами измерительных приборов и порядком их включения в электрическую сеть.

2. Собрать электрическую схему исследования двигателя (рис. 8.10).

3. Перед пуском двигателя необходимо: разомкнуть выключатель В и ввести полностью сопротивление пускового реостата R1 (ручку реостата перевести в нижнее положение), а сопротивление регулировочного реостата R2 полностью вывести (ручку реостата перевести в крайнее верхнее положение).

4. После проверки собранной схемы преподавателем включить питание нажатием кнопки «ПУСК».

5. Включить выпрямитель ДВ1 и установить на вольтметре автотрансформатором (ЛАТР) напряжение 70 В.

6. Замкнуть выключатель В, запустить двигатель, и, по мере разгона якоряплавно вывести величину сопротивления пускового реостата R4 до нуля (ручку реостата перевести в крайнее верхнее положение).

7. Реостатом R2 установить по амперметру А1 ток в цепи возбуждения Iв = 0,4 А.

8. Включить выпрямитель ДВ2 и реостатом R3 установить момент сопротивления на электромагнитном тормозе (ЭТ) равный нулю.

9. Регулируя реостатом R3 ток в катушках электромагнитного тормоза, изменять момент сопротивления М на валу двигателя в соответствии с табл. 1. При этом измерять значения частоты вращения двигателя n и тока якоря Iв.

10. Результаты измерений занести в табл.8.1.

11. Исследовать способы регулирования частоты вращения якоря двигателя при постоянном моменте сопротивления М = 300 Нм

а) изменением подводимого к якорю напряжения.

Автотрансформатором (ЛАТР) изменять по вольтметру подводимое к двигателю напряжение от 70 до 50 В через каждые 5 В, измеряя при этом n и Iя.. Перед каждым измерением устанавливать в цепи возбуждения ток Iв = 0,4 Ас помощью реостата R2. Результаты измерений занести в табл.8.2.

б) изменением тока возбуждения.

С помощью автотрансформатора (ЛАТР) установить подводимое напряжение U = 70 В. Реостатом R2 уменьшать ток в цепи возбуждения от 0,4 до 0,2 через каждые 0,05 Апо амперметру А1, измеряя при этом nи Iя. Результаты измерений занести в табл.2.

Рис. 8.10Электрическая схема исследования двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением:Я – якорь электродвигателя; ОВ – обмотка возбуждение электродвигателя; ДВ1, ДВ2 – диодные мосты – выпрямители, преобразующие переменный ток в постоянный; А1- амперметр постоянного тока на 500 мА; А2 - амперметр постоянного тока на 1 А; А3 - амперметр постоянного тока на 3 А; R1 - пусковой реостат на 30 Ом, подключенный к обмотке якоря; R2-регулировочный реостат обмотки возбуждения на 100Ом; R3- регулировочный реостатэлектротормоза на 500 Ом; ЭТ – электромагнитный тормоз; ЛАТР – автотрансформатор; V - вольтметр постоянного тока на 150 В; В – выключатель цепи якоря.

Таблица 8.1

Измеренные величины Вычисленные величины
M, Нм, 10-3 n, об/мин Iя, А Iв, А I, А Р1, Вт Р2, Вт η, %
0,14 0,4        
0,19 0,4        
0,24 0,4        
0,29 0,4        
0,35 0,4        
0,40 0,4        

 

Таблица 8.2

Iв = 0,4 А; U~ var U = 70В; Iв~ var
U, В n, об/мин Iя, А Iв, А n, об/мин Iя, А
0,29 0,40 0,29
0,27 0,35 0,28
0,25 0,30 0,29
0,23 0,25 0,28
0,21 0,20 0,29

 

12. Изменить направление вращения якоря двигателя:

а) изменением полярности напряжения цепи обмотки возбуждения.

Для этого выключить двигатель, нажав кнопку «СТОП» и переключить концы обмотки возбуждения на клеммной колодке. Включить двигатель и убедиться, что направление вращения изменилось.

б) изменением полярности напряжения цепи обмотки якоря.

Для этого выключить двигатель, нажав кнопку «СТОП» и переключить концы обмотки якоря на клеммной колодке. Включить двигатель и убедиться, что направление вращения изменилось.

13. По окончании измерений разомкнуть выключатель В, плавно уменьшить до нуля питающее напряжение с помощью ЛАТР и нажать кнопку «СТОП».

14. По измеренным данным табл.8.1, вычислить полезную (выходную) мощность на валу двигателя Р2, полную (потребляемую) мощность двигателя Р1 и КПДη. Результаты вычислений занести в табл.8.1.

15. По измеренным данным построить механическую характеристику n = f(M) (табл.1) и регулировочные характеристикиn = f(Un = f(Iв) (табл.8.2).

16. Пользуясь вычисленными значениями табл.1, построить рабочие характеристики:Iя = f(Р2) ,М = f(Р2),n = f(Р2) и η = f(Р2).

Отчет по лабораторной работе должен содержать::

1. Электрическую схему исследования двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением.

2. Расчеты электрических параметров двигателя.

3. Таблицы измеренных и вычисленных величин.

4. Графики механической характеристики, а также рабочих и регулировочных характеристик двигателя.

Контрольные вопросы.

1. Назначение, принцип работы и область применения двигателей постоянного тока.

2. В чем физическая сущность обратимости машин постоянного тока?

3. Какие существуют схемы включения обмоток возбуждения у двигателей постоянного тока?

4. Какова причина возникновения большого тока при пуске двигателя и меры, приводящие к уменьшению пускового тока.

5. Для чего нужен двигателю постоянного тока с параллельным возбуждением пусковой реостат?

6. Выведите формулу противодействующей ЭДС, возникающей при работе двигателя постоянного тока.

7. Какие существуют способы регулирования частоты вращениядвигателей постоянного тока, их преимущества и недостатки.

8. Как и почему изменится частота вращения двигателя с параллельным возбуждением, если увеличить сопротивление в цепи якоря?

9. Как и почему изменится частота вращения двигателя с параллельным возбуждением, если увеличить магнитный поток в цепи возбуждения?

10. Как и почему изменится частота вращения двигателя с параллельным возбуждением, если увеличить или уменьшить подводимое напряжение?

11. Почему при увеличении нагрузки на вал двигателя с параллельным возбуждением ток в цепи якоря не остается постоянным? Как объяснить это явление?

12. Какие существуют потери в двигателях постоянного тока и какой вид имеет энергетическая диаграмма?

13. Дайте анализ механической характеристики двигателя постоянного тока.

14. Что такое «рабочие характеристики» двигателя? Как их получить опытным путем?

15. Способы реверсирования двигателей постоянного тока.

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.