Тема: «Исследование двигателя постоянного тока с независимым возбуждением».

Цель: Сформировать умение собирать и анализировать схему пуска, регулирования частоты вращения и реверсирования двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.

По окончании выполнения лабораторной работы студент должен

знать:

- конструкцию, технические характеристики и принцип действия двигателей постоянного тока;

- безопасные правила эксплуатации;

уметь:

- собирать и анализировать схему пуска, регулирования частоты вращения и реверсирования двигателя постоянного тока.

 

Основные теоретические положения:

 

Коллекторные машины обладают свойством об­ратимости, т. е. они могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Поэтому если машину постоянного тока подключить к источнику энергии постоянного тока, то в обмотке возбужде­ния и в обмотке якоря машины появятся токи. Взаи­модействие тока якоря с полем возбуждения создает на якоре электромагнитный момент М, который яв­ляется не тормозящим, как это имело место в гене­раторе, а вращающим.

Под действием электромагнитного момента яко­ря машина начнет вращаться, т. е. машина будет ра­ботать в режиме двигателя, потребляя из сети элек­трическую энергию и преобразуя ее в механичес­кую. В процессе работы двигателя его якорь враща­ется в магнитном поле. В обмотке якоря индуциру­ется ЭДС , направление которой можно опреде­лить по правилу «правой руки». По своей природе она не отличается от ЭДС, наводимой в обмотке якоря генератора. В двигателе же ЭДС направлена против тока , и поэтому ее называют противоэлектродвижущей силой (противо-ЭДС) якоря (рисунок 56).

 

 

Рисунок 56 – Направление проти­во-ЭДС в обмотке якоря двига­теля

 

Для двигателя, работающего с постоянной час­тотой вращения,

 

.

 

Из этого выражения следует, что подведенное к двигателю напряжение уравновешивается противо-ЭДС обмот­ки якоря и падением напряжения в цепи якоря. Тогда ток якоря

 

.

Умножив обе части уравнения напряжения на ток яко­ря , получим уравнение мощности для цепи якоря:

,

 

где  – мощность в цепи обмотки якоря; 

     – мощность электрических потерь в цепи якоря.

Для выяснения сущности выражения  проделаем следую­щее преобразование:

 

,

или

.

Но, согласно

 

,

тогда

,        

                     

где  – угловая частота вращения якоря;

 – электромаг­нитная мощность двигателя.

Следовательно, выражение  представляет собой электромаг­нитную мощность двигателя.

Преобразовав выражение, получим

 

.

 

Анализ этого уравнения показывает, что с увеличением на­грузки на вал двигателя, т. е. с увеличением электромагнитного момента М, возрастает мощность в цепи обмотки якоря , т. е. мощность на входе двигателя. Но так как напряжение, подводимое к двигателю, поддерживается неизменным , то увеличе­ние нагрузки двигателя сопровождается ростом тока в обмотке якоря .

В зависимости от способа возбуждения двигатели постоянного тока, так же как и генераторы, разделяют на двигатели с возбуждени­ем от постоянных магнитов (магнитоэлектрические) и с электромаг­нитным возбуждением. Последние в соответствии со схемой включе­ния обмотки возбуждения относительно обмотки якоря подразделяют на двигатели параллельного (шунтовые), последовательного (сериесные) и смешанного (компаундные) возбуждения.

В соответствии с формулой ЭДС  частота вращения двигателя (об/мин)

.

 

Подставив значение , получим (об/мин)

 

,

 

т. е. частота вращения двигателя прямо пропорциональна на­пряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку воз­буждения. Физически это объясняется тем, что повышение на­пряжения U или уменьшение потока Ф вызывает увеличение разности ; это, в свою очередь, ведет к росту тока . Вследствие этого возросший ток повышает вращающий момент, и если при этом нагрузочный момент остается неизмен­ным, то частота вращения двигателя увеличивается.

Регулировать частоту вращения двига­теля можно изменением либо напряжения U, подводимого к дви­гателю, либо основного магнитного потока Ф, либо электрическо­го сопротивления в цепи якоря .

Направление вращения якоря зависит от направлений магнит­ного потока возбуждения Ф и тока в обмотке якоря. Поэтому, из­менив направление какой-либо из указанных величин, можно из­менить направление вращения якоря. Следует иметь в виду, что переключение общих зажимов схемы у рубильника не дает изменения направления вращения якоря, так как при этом одновремен­но изменяется направление тока и в обмотке якоря, и в обмотке возбуждения.

 

Пуск двигателя.

Ток якоря двигателя определяется формулой

 

.

 

Если при­нять U и  неизменными, то ток  зависит от противо-ЭДС . Наибольшего значения ток  достигает при пуске двигателя в ход. В начальный момент пуска якорь двигателя неподвижен  и в его обмотке не индуцируется ЭДС . Поэтому при непо­средственном подключении двигателя к сети в обмотке его якоря возникает пусковой ток

 

                                                 .     

                                          

Обычно сопротивление  невелико, поэтому значение пус­кового тока достигает недопустимо больших значений, в 10-20 раз превышающих номинальный ток двигателя.

Такой большой пусковой ток весьма опасен для двигателя. Во-первых, он может вызвать в машине круговой огонь, а во-вторых, при таком токе в двигателе развивается чрезмерно большой пус­ковой момент, который оказывает ударное действие на вращаю­щиеся части двигателя и может механически их разрушить. И на­конец, этот ток вызывает резкое падение напряжения в сети, что неблагоприятно отражается на работе других потребителей, вклю­ченных в эту сеть. Поэтому пуск двигателя непосредственным подключением в сеть (безреостатный пуск) обычно применяют для двигателей мощностью не более 0,7-1,0 кВт. В этих двигате­лях благодаря повышенному сопротивлению обмотки якоря и не­большим вращающимся массам значение пускового тока лишь в 3-5 раз превышает номинальный, что не представляет опасности для двигателя. Что же касается двигателей большей мощности, то при их пуске для ограничения пускового тока используют пуско­вые реостаты (ПР), включаемые последовательно в цепь якоря (реостатный пуск).

Перед пуском двигателя необходимо рычаг Р реостата поста­вить на холостой контакт О (рисунок 57). Затем включают рубиль­ник, переводят рычаг на первый промежуточный контакт 1 и цепь якоря двигателя оказывается подключенной к сети через наиболь­шее сопротивление реостата .

Одновременно через рычаг Р и шину Ш к сети подключается обмотка возбуждения, ток в которой в течение всего периода пус­ка не зависит от положения рычага Р, так как сопротивление ши­ны по сравнению с сопротивлением обмотки возбуждения пренеб­режимо мало.

Пусковой ток якоря при полном сопротивлении пускового реостата

 

.

 

 

 

Рисунок 57 – Схема включения пускового реостата

 

С появлением тока в цепи якоря  возникает пусковой мо­мент , под действием которого начинается вращение якоря. По мере нарастания частоты вращения увеличивается противо-ЭДС , что ведет к уменьшению пускового тока и пуско­вого момента.

По мере разгона якоря двигателя рычаг пускового реостата переключают в положения 2, 3 и т. д. В положении 5 рычага рео­стата пуск двигателя заканчивается . Сопротивление пус­кового реостата выбирают обычно таким, чтобы наибольший пус­ковой ток превышал номинальный не более чем в 2-3 раза.

Так как вращающий момент двигателя М прямо пропорциона­лен потоку Ф , то для облегчения пуска двигателя па­раллельного и смешанного возбуждения сопротивление реостата в цепи возбуждения  следует полностью вывести . Поток возбуждения Ф в этом случае получает наибольшее значение и двигатель развивает необходимый вращающий момент при мень­шем токе якоря.

Для пуска двигателей большей мощности применять пусковые реостаты нецелесообразно, так как это вызвало бы значительные потери энергии. Кроме того, пусковые реостаты были бы громозд­кими. Поэтому в двигателях большой мощности применяют без­реостатный пуск двигателя путем понижения напряжения. Приме­рами этого являются пуск тяговых двигателей электровоза переключением их с последовательного соединения при пуске на параллельное при нормальной работе или пуск двига­теля в схеме «генератор-двигатель».

 

Порядок выполнения работы:

1. Выполнить задание лабораторной работы.

2. Составить отчет.

3. Ответить на контрольные вопросы.

Ход работы:

Состав электрической схемы соединений (рисунок 58).

G1 – Трехфазный источник питания;

G2 – Источник питания двигателя постоянного тока;

G3 – Возбудитель синхронной машины;

G5 – Преобразователь угловых перемещений;

G6 – Машина переменного тока;

М2 – Машина постоянного тока;

А10 – Активная нагрузка;

Р1 – Блок мультиметров;

Р3 – Указатель частоты вращения.

Источник G1 – источник синусоидального напряжения промышленной частоты.

Источник питания G2 двигателя постоянного тока используется для питания регулируемым напряжением якорной обмотки и нерегулируемым напряжением обмотки возбуждения машины постоянного тока М2, работающей в режиме двигателя с независимым возбуждением и для питания регулируемым напряжением якорной обмотки и обмотки возбуждения машины постоянного тока М2, работающей в режиме двигателя с параллельным / последовательным возбуждением.

Возбудитель G3 служит для питания обмотки возбуждения машины переменного тока G6, работающей в режиме синхронного генератора.

Преобразователь угловых перемещений G5 генерирует импульсы, поступающие на вход указателя частоты вращения Р3 электромашинного агрегата.

Синхронный генератор G6 питает активную нагрузку А10, выступая в качестве нагрузочной машины.

С помощью мультиметров блока Р1 контролируются напряжение и ток якорной обмотки двигателя М2.

 

Задание.

 

- Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.

- Соберите электрическую схему соединений тепловой защиты машины переменного тока.

- Соедините гнезда защитного заземления " " устройств, используемых в эксперименте, с гнездом "РЕ" трехфазного источника питания G1.

- Соедините аппаратуру в соответствии с электрической схемой соединений (рисунок 58).     

- Переключатели режима работы источника G2 и возбудителя G3 установите в положение "РУЧН.".

- Регулировочные рукоятки источника G2 и возбудителя G3 поверните против часовой стрелки до упора.

- Установите в каждой фазе активной нагрузки А10 суммарную ее величину 100 %.

- Включите выключатель «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и указателя частоты вращения Р3.

- Активизируйте мультиметры блока Р1, задействованные в эксперименте.

- Включите источник G1. О наличии напряжений фаз на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки.

- Включите выключатель "СЕТЬ" и нажмите кнопку "ВКЛ." источника G2.

 

 

Рисунок 58 – Электрическая схема соединений

 

- Вращая регулировочную рукоятку источника G2, разгоните двигатель М2 до частоты вращения n, например, равной 1500 мин^-1.

- Включите выключатель "СЕТЬ" и нажмите кнопку "ВКЛ." возбудителя G3.

- Вращая регулировочную рукоятку возбудителя G3, изменяйте ток якоря I (ток не должен превышать значения 1,0 А) двигателя М2 и заносите показания амперметра Р1.1 (ток I), вольтметра Р1.2 (напряжение U якоря двигателя М2) и указателя Р3 (частота вращения n) в таблицу 19.

 

Таблица 19 – Результаты измерений

 

I, A
U, В
n, мин-1

 

- По завершении эксперимента сначала у возбудителя G3, а затем у источника G2 поверните регулировочную рукоятку против часовой стрелки до упора, нажмите кнопку "ОТКЛ." и отключите выключатель "СЕТЬ". Отключите источник G1 нажатием на кнопку – гриб.

- Используя данные таблицы 19, для каждого значения частоты вращения n вычислите по формуле

[H ^. м]

 

и занесите в таблицу 20 значения электромагнитного момента двигателя М2.

 

Таблица 20 – Результаты расчетов

 

n, мин-1
М, Н·м

 

Используя данные таблицы 20, постройте искомую статическую механическую характеристику n=f(М) двигателя постоянного тока.

 

Контрольные вопросы

1. Какие существуют способы пуска двигателя постоянного тока (ДПТ)?

2. Как изменить направление вращения якоря?

3. Каково назначение главных и добавочных полюсов в двигателе?

4. Как установить экспериментально наименование зажимов выводов обмоток двигателя постоянного тока?

5. Как можно регулировать частоту вращения якоря двигателя и чем ограничен ее верхний предел?

6. Почему регулирование частоты вращения якоря двигателя потоком возбуждения производится путем уменьшения тока возбуждения по сравнению с номинальным?

7. Как влияет способ возбуждения на механические характеристики двигателя постоянного тока?

8. Какие последствия для двигателя постоянного тока имеет обрыв обмотки возбуждения?

9. Почему пусковой ток ДПТ значительно выше рабочего тока?

10. Как изменяется частота вращения ДПТ параллельного, последовательного и смешанного возбуждения при увеличении нагрузки на валу?

11. Благодаря каким свойствам ДПТ последовательного возбуждения применяют в качестве тяговых и крановых?

12. В чем отличие искусственных механических характеристик от естественных?

13. Какими уравнениями описывается рабочий процесс ДПТ?

 

 

Практическая работа №2

⇐ Предыдущая9101112131415161718Следующая ⇒

Поделиться: