Теоретическое введение. Обработка результатов

ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14

Обработка результатов

1. По результатам измерения вычислить:

• мощность на валу двигателя Р2;

• скольжение S;

• КПД η

• коэффициент мощности cos φ.

2. Построить механическую характеристику n (М).

3. В одной координатной системе построить рабочие характеристики АД: I, М, S, Pi, cos φ, η в функции P2.

Контрольные вопросы

1. Чему равен момент асинхронного двигателя при n=n_с^? Почему М увеличивается при снижении n?

2. Почему вращающийся на холостом ходу АД не останавливается при обрыве одной фазы? Как при этом изменяется ток в оставшихся фазах?

3. Почему при n =0 момент двигателя (М_n) оказывается не максималь­ным?

4. Как изменяется мощность на валу двигателя при переключении его с треугольника на звезду при соответствующем увеличении линейного на­пряжения cети в раз'

5 Во сколько раз уменьшится пусковой момент двигателя, если на­пряжение cети уменьшилось на 30%?

6. По какой схеме включен ваттметр (рис. 13.4)?

Цель работы

Ознакомиться с принципом действия и характеристиками двигателя постоянного тока

Двигатель постоянного тока состоит из статора и ротора.

На обмотку возбуждения О_B, расположенную на полюсах статора, подается постоянное напряжение U_B (рис. 14.1). Протекающий через обмотку ток I_В создает постоянный поток возбуждения Ф. В современных малоинерционных двигателях, предназначенных для быстродействующих приводов, вместо обмотки возбуждения используются постоянные магниты.

На обмотку ротора, который в этом двигателе является якорем, через угольные или медно-графитовые щетки и коллектор подастся постоянное напряжение U.

На принципиальных схемах двигатель изображается так, как это показано на рис. 14 2.

Рисунок 14.1	Рисунок 14.2

При пуске двигателя, т.е. при подаче на неподвижный якорь напряже­ния U в цепи якоря протекает ток (R - сопротивление якоря)

Этот тока создает магнитный поток якоря Ф_Я, перпендикулярный потоку возбуждения Ф, как это показано на рис. 14 1. В результате взаимодействия потоков возникает вращающий момент М, стремящийся повернуть якорь до совпадения потока Ф_л с потоком Ф.

Момент М пропорционален току якоря I и потоку Ф:

М=С_м 1 Ф, (14.1)

где:

С_м - постоянный коэффициент.

Под действием момента М якорь начинает вращаться. При этом неза­висимо от вращения якоря поток Ф_Я остается перпендикулярным потоку Ф, так как ток I щеточно-коллекторым механизмом всегда подается в тe витки якоря, которые в данный момент оказываются под полюсами. Пока действует момент М, двигатель, не заторможенный внешним моментом нагрузки, разгоняется. Чтобы ответить на вопрос, до какой скорости paзгоняется двигатель на холостом ходу, нужно учесть генераторную ЭДС Е, наводимую в якоре, вращающемся в потоке возбуждения Ф.

Если на якорь не подать напряжение U и помощью внешнею момента вращать его в потоке возбуждения Ф, двигатель превратится в генератор постоянного тока и будет вырабатывать генераторную ЭДС Е = С_еnФ, (14.2)

где-

С_е - постоянный коэффициент пропорциональности

Эта же генераторная ЭДС наводится в якоре и в том случае, когда машина работает в режиме двигателя. Она направлена против напряжения U и уменьшает ток якоря. Поэтому во вращающемся якоре ток определяет­ся выражением:

В момент пуска, когда n=0 и, следовательно, E=0, в якоре протекает

пусковой ток , во много раз превышающий допустимое по усло­виям работы коллектора значение. Для ограничения пускового тока рань­ше пользовались реостатами, включаемыми в цепь якоря; в современных тиристорных электроприводах пусковой ток ограничивается снижением напряжения U во время разгона двигателя.

На холостом ходу двигатель разгоняется до такой n, при которой Е становится почти равной напряжению U, и поэтому в якоре протекает тишь небольшой ток холостого хода, создающий момент М, равный ста­тическому моменту нагрузки холостого хода М_сх. При идеальном холостом ходе двигатель разогнался бы до частоты вращения идеального холостого хода n₀ при которой E =U и, следовательно, I=0 и М=0.

При нагружении двигателя моментом нагрузки частота вращения nначинает снижаться. Но при этом уменьшается генераторная ЭДС Е = С_e • n • Ф, а начальное уменьшение Е приводит к резкому увеличению тока I и момента М, развиваемого двигателем. Скорость снижается до та­кой n, при которой, момент двигателя М становится равным моменту нагрузки. Связь между моментом двигателя М и частотой вращения n опре­деляется уравнением:

где:

- частота вращения идеального холостого хода.

- угловой коэффициент.

Рис. 14.3

По этому уравнению строится механическая характеристика двигателя n (М), изображенная на рис. 14.3. Механическая характеристика позво­ляет для любой частоты враще­ния nопределить момент М. Так, при n=n₀ М=0 (рабочая точка 1 соответствует идеальному холо­стому ходу, когда E=U, I=0, М=0). Точка 2

соответствует реальному холостому ходу (n₂<n₀, E<U и поэтому I ≠ 0, к двигатель развивает момент М=М_сх). В рабочей точке 3 двигатель нагружен номинальным моментом нагрузки М_н вращается с номинальной частотой вращения n₀и развивает момент М₃, равный моменту М_н

Кратковременно двигатель можно нагрузить максимально допустимым моментом М_макс (рабочая точка перейдет в точку 4), но длительная работа при нагрузках, больших М_н, приводит к перегреву двигателя и резкому сокращению срока службы изоляции. Нагружать двигатель моментом, большим М_макс, даже кратковременно, нельзя, так как при этом ток якоря ста­новится больше допустимого тока I_макс, что сокращает срок службы коллектора.

Современные двигатели постоянного тока допускают перегрузку по то­ку , равную 3-4. малоинерционные двигатели, используемые в быстродействующих тиристорных электроприводах, рассчитаны на 9-10 - крат­ную перегрузку. Практически во столько же раз М_макс оказывается больше номинального момента М_{Н ,}благодаря чему двигатели постоянного тока обладают значительно большим быстродействием по сравнению с асинхронными двигателями.

Основным преимуществом двигателя постоянного тока перед асинхронным является то, что его скорость вращения может регулироваться в очень широком диапазоне. Из уравнения механической характеристики видно, что скорость вращения можно регулировать тремя способами:

• введением добавочного сопротивления Rg в цепь якоря,

• ослаблением потока возбуждения Ф,

• изменением напряжения U от нуля до U_н

При введение добавочного сопротивления, при ослаблении потока или изменении напряжения вместо исходной механической характеристики (ее называют естественной характеристикой) получаются искусственные характеристики, изображенные на рис 14.4.

а	б	в
Рис. 14.4

При введении Rg нагруженный двигатель вращается медленнее (рис.14.4.а). В настоящее время этот способ не применяется, так как неэкономичен и не обеспечивает стабильности вращения при малых n.

Регулирование n ослаблением потока Ф (рис 14.4, б) экономически оправдано, но обеспечивает диапазон регулирования Д=n_макс/n_микс равный всего лишь 3-5. Поток Ф можно только уменьшать, так как в номинальном режиме двигатель работает с максимально возможным. Потоком возбуждения и увеличивать его из-занасыщения железа невозможно. При ослаблении потока Ф скорость вращения двигателя увеличивается. Это объясняет­ся тем, что при уменьшении Ф уменьшается противо-ЭДС Е=С_еnФ, а это приводит к очень резкому увеличению тока в якорной цепи и, несмот­ря на уменьшение Ф, к увеличению момента М. Если, например при хо­лостом ходе поток Ф ослабить вдвое, двигатель почти вдвое увеличит час югу вращения, чтобы при ослабленном потоке ЭДС Е вновь стада почти равной напряжению U

Способ с изменением напряжения U, подводимого к якорю, является основным способом регулирования скорости вращения двигателя постоянного тока. Как видно из уравнения механической характеристики, при уменьшении U пропорционально уменьшается скорость идеального холо­стого хода n₀, а угловой коэффициент b не изменяется, т. е. при измене­нии U искусственные механические характеристики смещаются, оставаясь параллельными естественной характеристике.

До появления тиристорных преобразователей для регулирования постоянного напряжения использовались генераторы постоянного тока (регулирование n осуществлялось с помощью системы ГД – "генератор-двигатель"). В современных электроприводах постоянное напряжение U регулируется тиристорным преобразователем (управляемым выпрямителем на тиристорах). В серийных тиристорных электроприводах диапазон регу­лирования достигает 10000 и. более. Это означает, что двигатель может вращаться с любой скоростью от n_н до долей оборота в минуту.

Дата добавления: 2015-01-03