Исследование двигателя постоянного тока с параллельным

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Саратовский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
Методические указания
к выполнению учебно-исследовательской лабораторной работы
по курсам «Электромеханика» и «Электрические машины»
для студентов специальностей 100400, 551700, 180500
Одобрено
редакционно-издательским советом
Саратовского государственного
технического университета
Саратов 2008
2
Цель работы: изучить устройство и принцип действия двигателей
постоянного тока, получить навыки управления двигателем, исследовать
основные рабочие характеристики.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Изучение двигателя постоянного тока (ДПТ) следует начать с
устройства и принципа работы. Отличительной частью машин
постоянного тока является наличие коллектора. Необходимо усвоить
принцип построения обмоток машин постоянного тока, их связь с
коллектором и роль коллектора. При изучении реакции якоря машин
постоянного тока нужно учесть, что ее характер зависит от положения
щеток на коллекторе по отношению к геометрической нейтрали. При
рассмотрении характеристик двигателей постоянного тока нужно обратить
внимание на способы их возбуждения.
Изучая свойства двигателей постоянного тока, надо прежде всего
уяснить их отличие от электродвигателей других типов. При этом нужно
рассмотреть способы пуска двигателей постоянного тока и методы
регулирования их частоты вращения, механические характеристики.
Особое внимание следует обратить на механические свойства двигателей
постоянного тока. Только понимая эти свойства, можно решить вопрос о
пригодности того или иного двигателя постоянного тока для привода
определенного механизма. Лишь на основе этих свойств станет понятно,
почему для привода металлорежущего станка применяется двигатель с
параллельным возбуждением, а для привода подъемного механизма –
двигатель с последовательным возбуждением, и в каких случаях со
смешанным возбуждением. В противоположность асинхронному
двигателю двигатель постоянного тока всегда пускается в ход посредством
пускового реостата, ограничивающего величину пускового тока. С другой
стороны, двигатель постоянного тока допускает плавное регулирование
частоты вращения, а асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
практически допускает лишь ступенчатое регулирование частоты
вращения. Эти различия должны учитываться при выборе приводного
двигателя для рабочего механизма.
Принцип действия машины постоянного тока, работающей в режиме
двигателя, заключается в следующем: при подключении двигателя к сети
по обмотке якоря и обмотке возбуждения протекают токи, и в результате
взаимодействия тока якоря IЯ с магнитным потоком основных полюсов Ф
возникает вращающий электромагнитный момент:
M  CÌ  I ß  Ô ,
где СМ – коэффициент, зависящий от конструктивных данных машины.
3
(1)
Направление вращающего момента определяется по правилу левой
руки. Направление вращения будет неизменным при условии, если
вращающий момент будет иметь один и тот же знак, что достигается с
помощью коллектора. Таким образом, назначение щеточно-коллекторного
узла в двигателе постоянного тока – изменять направление тока в
проводниках обмотки якоря при их переходе из зоны действия магнитного
полюса одной полярности в зону полюса другой полярности, т.е.
сохранения постоянного знака вращающего момента.
При вращении якоря его витки перемещаются в магнитном поле
полюсов, и в них согласно закону электромагнитной индукции наводится
ЭДС Е, направление которой противоположно току якоря и определяется
по правилу правой руки. Эту ЭДС часто называют противо-ЭДС:
E  ce  n  Ô ,
(2)
где сe – коэффициент пропорциональности; n – частота вращения якоря.
Напряжение сети U уравновешивает противо-ЭДС якоря и падение
напряжения в его внутреннем сопротивлении:
U  E  I ß  Rß ,
(3)
где RЯ – сопротивление ветви якоря.
Противо-ЭДС уменьшает ток якоря.
Iß 
U  E U  ce  n  Ô

.
Rß
Rß
(4)
При постоянстве U и RЯ, что обычно имеет место на практике,
величина тока, а значит вращающий момент и мощность двигателя,
зависят от величины противо-ЭДС Е. Таким образом, ЭДС якоря является
автоматическим регулятором указанных величин, устанавливая их
значения в зависимости от приложенного к валу двигателя нагрузочного
момента.
При непосредственном включении двигателя на номинальное
напряжение сети Uн ток якоря в момент пуска двигателя n=0 (Е=0) будет
равен:
I ßÏ 
Uí
.
Rß
(5)
Учитывая, что RЯ – величина относительно малая, пусковой ток IЯП
будет превышать в 10 – 30 раз его номинальное значение. Поэтому с целью
4
предотвращения перегрева якоря, динамического удара и повреждения
коллектора на время пуска последовательно с якорем включают пусковой
реостат RП. Сопротивление пускового реостата выбирается таким образом,
чтобы выполнялось условие:
I ßÏ 
Uí
R ß  RÏ
 1,5  2,0  I ßÍ ,
(6)
где IЯП, IЯН – пусковой и номинальный токи якоря.
По мере разгона двигателя ЭДС Е нарастает, ограничивая величину
пускового тока. Это позволяет постепенно уменьшать сопротивление
пускового реостата до нуля.
К концу пуска при частоте вращения, близкой к номинальной,
пусковой реостат должен быть выведен во избежание дополнительных
потерь, и так как он обычно рассчитывается на кратковременное
включение при пуске.
Для
обеспечения
максимального
пускового
момента
и,
следовательно, быстрого разгона двигателя необходимо, чтобы при пуске
магнитный поток двигателя был наибольшим. Поэтому, если в цепи
возбуждения двигателя имеется регулировочный реостат RВ, то его следует
вывести.
Подставляя выражение (2) в уравнение (3) можно найти частоту
вращения:
n
U  I ß  Rß
.
ce  Ô
(7)
Приведенные выше основные соотношения одинаково справедливы
для двигателей параллельного, последовательного и смешанного
возбуждения.
На основании формулы (7) следует, что регулирование частоты
вращения двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением
может быть достигнуто следующими способами:
1) изменением подводимого к двигателю напряжения;
2) изменением сопротивления цепи якоря;
3) изменением магнитного потока.
Регулирование частоты вращения по первому способу требует
питания двигателя от отдельного источника постоянного тока с
регулируемым напряжением. Такой способ регулирования позволяет
плавно изменять частоту вращения в широких пределах.
При регулировании частоты вращения по второму способу в качестве
сопротивления, включаемого последовательно в цепь якоря, может быть
использован реостат RР, аналогичный пусковому, но рассчитанный на
длительное протекание тока. При этом частота вращения двигателя будет
уменьшаться, что следует из формулы:
5
n
U  I ß  ( R ß  RÐ )
.
ce  Ô
Этот способ связан со значительными потерями электроэнергии в
реостате и поэтому неэкономичен.
Регулирование частоты вращения изменением магнитного потока
достигается регулированием тока возбуждения двигателя при помощи
реостата Rв в цепи возбуждения. Этот способ является экономичным, так
как ток возбуждения IВ=(0,01..0,05)IЯ и потери энергии в регулировочном
реостате невелики.
При значительном уменьшении тока возбуждения (особенно при
обрыве цепи возбуждения ненагруженного двигателя) частота вращения
двигателя сильно возрастает, что может привести к разрушению двигателя,
поэтому цепь возбуждения двигателя всегда должна быть замкнута.
Основные свойства двигателей определяют по характеристикам,
дающим зависимости между основными величинами, определяющими
работу машины.
Зависимость частоты вращения двигателя от тока возбуждения
n  f ( I B ) при отсутствии нагрузки и при U=const носит название
х а р а к т е р и с т и к и х о л о с т о г о х о д а двигателя параллельного
возбуждения. При холостом ходе, когда I ß  Rß в уравнении (7)
относительно
мало,
частоту
вращения
можно
считать
обратнопропорциональной потоку (рис. 1).
n, об/мин
n=f(IB)
IB, A
0
6
Рис. 1.
Р а б о ч и е х а р а к т е р и с т и к и представляют собой зависимости
полезного вращающего момента на валу М, частоты вращения n, тока
якоря IЯ и КПД η двигателя от полезной мощности на валу при постоянной
величине тока возбуждения IB=const и неизменном напряжении на
зажимах якоря U=const.
Частота вращения n как следует из выражения (7), с ростом нагрузки
(следовательно, ростом тока IЯ) уменьшается.
Полезный момент на валу двигателя М (Н·м) вследствие уменьшения
частоты вращения возрастает несколько быстрее полезной мощности Р2 (кВт):
M  9550 
На рис. 2 приведены
параллельным возбуждением.
η
М
IЯ
P2
.
n
(8)
рабочие характеристики
двигателя
с
n
nн
n
ηн
η
IЯ
IЯн
М
Мн
Р2
0
Рис. 2.
Р2н
Характеристика тока якоря I ß  f ( Ð2 ) двигателя не выходит из
начала осей координат, так как в режиме холостого хода (Р2=0) двигатель
потребляет из сети ток холостого хода I0 и развивает момент холостого
хода М0, обусловленный механическими и магнитными потерями в
двигателе.
7
Коэффициент
выражением:
полезного

действия
двигателя
определяется
P2
,
P2  P
(9)
где P – суммарные потери в двигателе.
При небольшой, но возрастающей нагрузке на валу двигателя
суммарные потери (в основном потери на трение) остаются практически
постоянными, а КПД при этом повышается, так как числитель (9) растет
быстрее знаменателя; при большой нагрузке сильно возрастают потери в
обмотке якоря, пропорциональные квадрату тока: рост КПД замедляется и
при перегрузке начинает падать.
Р е г у л и р о в о ч н а я х а р а к т е р и с т и к а двигателя постоянного
тока с параллельным возбуждением представляет собой зависимость
I Â  f ( I ß ) . Она показывает, на сколько следует уменьшить ток
возбуждения двигателя при постоянном напряжении U=UH=const, чтобы
поддержать его частоту вращения постоянной n=const при увеличении
нагрузочного момента (рис. 3).
IB, A
IB=f(IЯ)
IЯ, A
0
Рис. 3.
Механическая
характеристика
двигателя
n  f (M )
представляет собой графически выраженную зависимость частоты
вращения якоря n от электромагнитного момента М при неизменных
напряжении питания U=const и токе возбуждения IB=const. Двигатель
постоянного тока с параллельным возбуждением обладает ж е с т к о й
8
механической характеристикой (рис. 4), уравнение которой можно
получить из выражений (1) и (7):
n
M  Rß
U
.

ce  Ô ce  c M  Ô 2
(10)
Это уравнение показывает, что частота вращения двигателя при
постоянном потоке якоря уменьшается с увеличением момента на его валу
по линейному закону. Это уравнение соответствует допущению, что
магнитный поток остается неизменным при разных механических
нагрузках. Однако при увеличении нагрузки вследствие реакции якоря
магнитный поток уменьшается, поэтому механическая характеристика
этого двигателя может считаться прямолинейной, если реакцией якоря
можно пренебречь в виду ее малости или если реакция якоря
компенсируется.
Механическую характеристику можно построить по двум точкам (n =
nн, М=Мн) и (n = n0, М=0), частоту вращения при холостом ходе n0 можно
определить по формуле:
n0 
UH
ní .
U H  I ß Rß
Поскольку двигатель постоянного тока допускает плавное
регулирование частоты вращения, то возникает вопрос о диапазоне
регулирования. Широкий диапазон позволил бы использовать двигатель
без применения редуктора, что не только упростило бы передачу, но и
улучшило бы работу приводимого механизма. Однако возможность
расширения частоты вращения приводит к ухудшению условий
коммутации, а уменьшение частоты вращения вызывает увеличение
размеров двигателя, что ведет к его удорожанию. Поэтому обычно
отношение максимальной частоты вращения к минимальной составляет
nmax/nmin=2...3.
Механические характеристики могут быть естественными и
искусственными. Естественная механическая характеристика определяется
при номинальных параметрах питающей сети, магнитном потоке
электродвигателя, нормальной схеме включения и отсутствии добавочных
сопротивлений в его цепи.
Искусственная механическая характеристика определяется при
параметрах сети, отличных от номинальных, а также при наличии
добавочных сопротивлений в его цепи.
9
n
2
1
3
4
M
0
Рис. 4.
Вид механических характеристик двигателя постоянного тока с
параллельным возбуждением при различных способах регулирования
частоты вращения изображен на рис. 4. На этом рисунке прямая 1 –
естественная характеристика; 2 – характеристика при включении реостата
в цепь обмотки возбуждения; 3 – характеристика при уменьшении
напряжения; 4 – характеристика при включении реостата в цепь якоря.
Двигатели постоянного тока с параллельным возбуждением
применяются в тех случаях, когда частота вращения при изменении
нагрузочного момента от нуля до номинального должна изменяться
незначительно и когда требуется широкий диапазон изменения частоты
вращения.
10
ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Принципиальная схема стенда выполняемой работы показана на рис. 5.
Рис. 5.
В качестве двигателя используется машина постоянного тока типа
П32 У4 со следующими номинальными данными: напряжение 220 В,
механическая мощность 1,5 кВт, частота вращения вала 1450 об/мин, ток в
линейных проводах 6,5 А, КПД 80%.
Нагрузкой двигателя служит электромагнитный тормоз (ЭМТ),
допускающий плавное регулирование создаваемого им момента
сопротивления за счет изменения величины постоянного тока в обмотке
возбуждения тормоза.
Вал электродвигателя через муфту сочленен с валом ЭМТ, второй
конец вала ДПТ сочленен с тахометром ТХ типа ТМТ-30П, измеряющим
частоту вращения вала.
Перечисленные электрические машины установлены на основании,
сваренном из швеллера. Габариты установки 1000х460х400 мм, масса 15 кг.
При вращении диска электромагнитного тормоза в нем за счет
магнитного потока возбуждения наводятся вихревые токи, взаимодействие
которых с магнитным потоком магнитной системы создает тормозной
11
момент. Величина тормозного момента пропорциональна отклонению
стрелки индикатора, установленного на ЭМТ.
В зависимости от величины тока возбуждения ЭМТ, регулируемой
автотрансформатором (АТ), соответственно изменяется тормозной момент.
Перед включением тормоза необходимо убедиться, что ползунок АТ
установлен в нулевое положение. После проведения опыта ползунок АТ
следует возвращать в нулевое положение.
Измерения в цепях ДПТ и ЭМТ проводятся с помощью амперметров
и вольтметров магнитоэлектрической системы.
ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА
Для обеспечения безопасности выполнения лабораторной работы
необходимо выполнять следующие требования.
1. Не прикасайтесь к неизолированным элементам соединительных и
коммутационных устройств, находящихся под напряжением.
2. Включать источник питания стенда можно только с разрешения
руководителя лабораторного занятия.
3. Остерегайтесь соприкосновения с вращающимися валами и
соединительными муфтами электрических машин, а также с дисковыми
роторами электромагнитных тормозов.
4. Прежде, чем приступить к соединению устройств, расположенных
на стенде, убедитесь, что контакты автоматического выключателя
разомкнуты.
5. Прежде, чем разбирать цепи или производить любые
пересоединения в них, убедитесь, что источники питания отключены, а
роторы электрических машин находятся в неподвижном состоянии.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1.
Ознакомиться с устройством и принципом действия двигателя
параллельного возбуждения. Паспортные данные двигателя занести в
табл. 1.
Таблица 1
Тип ДПТ
Рн,
кВт
Uн,
В
IЯ,
А
nн,
об/мин
RЯ,
Ом
RВ,
Ом
η,
%
2.
Для пуска двигателя необходимо полностью ввести пусковой
реостат RП, а реостат цепи возбуждения RВ вывести.
12
Включить сетевой выключатель питания SA1 на стенде, при этом
вал двигателя начинает вращаться. Плавно (за 3-4 с) уменьшить
сопротивление пускового реостата до нуля, следя по амперметру за
пусковым током двигателя, который не должен превышать (1,5-2)·Iн. На
этом операция пуска заканчивается.
Включить питание электромагнитного тормоза выключателем SA2.
Плавно увеличивая ток в катушках тормоза при помощи
автотрансформатора АТ, нагрузить двигатель до номинального момента Мн.
Остановку двигателя производить в следующем порядке:
отключить двигатель от сети выключателем SA1, ввести пусковой реостат
RП, после остановки двигателя уменьшить ток в катушках тормоза до нуля
и отключить тормоз от сети.
3. Снять характеристику холостого хода, зависимости n=f(IВ) при
постоянном напряжении источника питания Uн=const и полезном моменте
на валу М=0.
Пустить двигатель в ход и, уменьшая реостатом RВ ток возбуждения
Iв, измерить по тахометру ТХ частоту вращения двигателя n, не допуская
превышения ее более чем на 25% сверх номинальной nн. Полученные
данные занести в табл. 2 и построить характеристику холостого хода.
Таблица 2
.
.
.
.
.
IВ ,
А
n,
об/мин
4. Провести испытания двигателя под нагрузкой при RП=0.
Установить максимальный ток возбуждения и пустить двигатель в ход.
Изменить нагрузку двигателя с помощью ЭМТ с шагом 2 Н·м на
интервале от нуля до 10 Н·м; при этом для каждого момента записать
данные в табл. 3 (U, IЯ, IВ, n, M). На основании данных табл. 3 построить
рабочие и естественную механическую характеристики.
Таблица 3
№
RП=0
1.
2.
…
RП≠0
1.
2.
…
13
M,
Н·м
n,
об/мин
U,
B
IЯ,
А
Iв,
А
5. Провести испытания двигателя под нагрузкой при RП≠0 (значения
RП указывает преподаватель). Установить максимальный ток возбуждения
и изменяя нагрузку двигателя с помощью ЭМТ с шагом 2 Н·м на
интервале от нуля до 10 Н·м, для каждого момента записать данные в табл. 3.
На основании данных табл. 3 построить искусственную механическую и
рабочие характеристики.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
По результатам опытов построить характеристику холостого хода,
построить на одной диаграмме естественную и искусственную
механические характеристики. По данным наблюдений и вычислений
построить на одной диаграмме рабочие характеристики.
Определить процентное изменение частоты вращения якоря
двигателя при росте нагрузки от нуля до номинальной. Построить
регулировочную характеристику двигателя. Оценить погрешность
изменения величин напряжений и токов. Оценить погрешность
определения одной из вычисленных величин (по указанию
преподавателя).
СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ
Отчет должен содержать:
1) название лабораторной работы;
2) формулировку цели работы;
3) принципиальную электрическую схему установки;
4) характеристики и параметры элементов схемы и приборов;
5) результаты измерений и расчетов;
6) формулы, используемые при расчетах;
7) графики установленных зависимостей;
8) раздел о погрешностях измерений и вычислений величин;
9) выводы о проделанной работе.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Как устроен ДПТ и каковы функции его основных конструктивных
элементов? Какое значение среди них имеет коллектор?
2. Объяснить принцип работы ДПТ.
3. Что такое реакция якоря? Какое влияние оказывает реакция якоря на
внешнюю характеристику генератора постоянного тока? Опишите
процесс самовозбуждения машины постоянного тока.
14
4. Как осуществить пуск в ход ДПТ?
5. Как должен быть включен пусковой реостат двигателя параллельного
возбуждения? Из каких соображений выбирается величина
сопротивления пускового реостата?
6. Какими способами можно регулировать частоту вращения
двигателей параллельного и последовательного возбуждения?
7. Какой вид имеет характеристика холостого хода ДПТ с
параллельным возбуждением?
8. Какой вид имеет естественная механическая характеристика ДПТ с
параллельным возбуждением?
9. Каким образом осуществляется реверсирование двигателей
постоянного тока?
10. Какой вид имеет искусственная механическая характеристика ДПТ
с параллельным возбуждением при изменении величины
добавочного сопротивления, включенного в цепь обмотки якоря?
11. Какие рабочие характеристики имеют ДПТ?
12. Какие потери мощности имеют место в ДПТ?
13. Где находит применение ДПТ?
ЛИТЕРАТУРА
1. Брускин Д.Э. Электрические машины: в 2 ч. / Д.Э. Брускин,
В.С. Хвостов, А.Е. Зорохович. М.: Высшая школа, 1987. Ч. 2.
2. Кацман М.М. Руководство к лабораторным работам по
электрическим машинам и электроприводу / М.М. Кацман, М.:
Высшая школа, 1983.
15
ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
Методические указания
к выполнению учебно-исследовательской лабораторной работы
Составили: ЕГОРОВ Андрей Александрович
ВДОВИНА Ольга Владимировна
Рецензент Г.Г. Угаров
Корректор Д.А. Козлова
Подписано в печать 20.06.07
Формат 60х84
1/16
Бум. тип.
Усл. печ. л. 1,1 (1,2)
Уч. – изд. л. 1,1
Тираж 100 экз.
Заказ 524
Бесплатно
Саратовский государственный технический университет
410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77
Отпечатано в РИЦ СГТУ. 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77
16