Содержание отчета

Цель работы.
Данные о приборах и паспортные данные двигателя.
Схемы всех опытов.
Таблицы с результатами опытов и расчетами.
Рабочие характеристики n, I_Я , M, h = f (P₂), для двигателей с параллельным и последовательным возбуждением.
Регулировочные характеристики n = f (I_B) для двигателей с параллельным и последовательным возбуждением.
Механические характеристики n = f (M) для двигателей с последовательным и параллельным возбуждением (на одном графике).

Краткие сведения из теории.

Электрические машины постоянного тока обладают свойством обратимости, т.е. могут работать в режиме генератора электрической энергии и в режиме двигателя. Принцип действия двигателя постоянного тока основан на взаимодействии проводника, в котором протекает ток, с магнитным полем постоянных электромагнитов. В результате взаимодействия будут возникать механические силы, направление которых легко определить правилом левой руки. Для того, чтобы пары сил создали вращающие моменты в одном направлении, необходимо, чтобы под всеми северными полюсами в обмотке якоря был ток одного направления, а под южным – другого. Эту задачу выполняет коллектор двигателя постоянного тока, периодически изменяющий направление тока в витках обмотки якоря. Из этого вытекает принципиальная возможность изменения направления момента вращения, а следовательно, и направление вращения двигателя при помощи: а) изменения направления тока в обмотке якоря; б) изменения направления тока в обмотке возбуждения.

При одновременном изменении направления тока в якоре и в обмотке возбуждения направление вращения не изменится. Величина вращающего момента М прямо пропорциональна току якоря I_Я и величине магнитного потока Ф, создаваемого электромагнитами, т.е.

M = C_M × I_Я × Ф (1)

где С_M - постоянный коэффициент, зависящий от конструкции машины постоянного тока.

При работе двигателя постоянного тока, работе генератора, в обмотке якоря индуктируется эдс

E_Я = C_Е × Ф × n (2)

где n - число оборотов двигателя ; С_E - постоянный коэффициент, зависящий от конструкции машины постоянного тока. Для двигателя направление этой эдс будет противоположным направлению приложенного от сети напряжения, поэтому она называется противоэлектродвижущей силой двигателя. В отличие от генератора противоэлектродвижущая сила двигателя будет меньше приложенного от сети напряжения на величину падения напряжения в якоре машины. Таким образом, если для генератора справедливым будет равенство

E_Я = U + I_Я× R_Я (3)

то для двигателя оно будет

U = E_Я + I_Я× R_Я (4)

откуда

(5)

В начальный момент пуска двигателя постоянного тока, когда n = 0, противоэлектродвижущая сила E_Я = 0, вследствие чего ток в цепи якоря резко возрастет, будучи ограниченным только небольшим сопротивлением обмотки якоря. Чтобы уменьшить ток в момент пуска электродвигателя, последовательно с обмоткой якоря включают специальный пусковой реостат. Сопротивление пускового реостата определяют из условия, что пусковой ток I_ЯН не должен превышать (1,5 ... 2,5 ) I_Я.Н.

Тогда

(6)

Из формул (2) и (3) получается следующее выражение для числа оборотов двигателя:

, (7)

т.е. скорость вращения двигателя будет прямопропорциональна подведенному к зажимам якоря напряжению и обратно пропорционально величине магнитного потока.

Таким образом, регулирование числа оборотов у двигателя постоянного тока может быть осуществлено либо при помощи изменения напряжения на зажимах якоря, либо изменением величины магнитного потока Ф. На практике используют как первый, так и второй способ в зависимости от применяемого типа двигателя постоянного тока.

Пуск в ход двигателя с параллельным возбуждением, принципиальная схема которого дана на рис.2, производится с включенным в цепь якоря пусковым реостатом Пр1. Как видно из схемы, обмотка возбуждения двигателя подключается почти к полному напряжению в сети. Вследствие того, что величина магнитного потока полюсов Ф прямопропорциональна напряжению U, можно сделать вывод, что в процессе работы магнитный поток для двигателей с параллельным возбуждением остается почти неизменным. Механическая характеристика такого двигателя «жесткая».

Регулирование числа оборотов двигателя с параллельным возбуждением при помощи изменения напряжения на зажимах якоря осуществляется изменением сопротивления регулировочного реостата, включенного последовательно с якорем на долговременную работу. Такое регулирование неэкономично, т.к. обуславливает значительную мощность потерь R_Я· I_Я².

Регулирование оборотов двигателя изменением величины магнитного потока на практике осуществляется при помощи регулировочного реостата R_B, включенного в цепь обмотки возбуждения. Такое регулирование экономично, т.к. ток возбуждения I_В относительно мал, но значительное увеличение оборотов может обусловить перегрузку коллектора и якоря по току.

Пуск в ход двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением (сериес - двигатель), принципиальная схема которого дается на рис.3, в основном аналогичен пуску двигателей с параллельным возбуждением. Однако в отличие от шунтовых двигателей работа сериес-двигателя в режиме холостого хода недопустима.

Действительно, число оборотов для двигателя с последовательным возбуждением может быть определено по формуле:

(8)

Для двигателя с последовательным возбуждением ток якоря является и током возбуждения. При I_Я ® 0 будет I_В ® 0, следовательно, магнитный поток Ф будет стремиться к нулю. Как видно из приведенной формулы при Ф ® 0, U = const и R_Я= const, число оборотов n ® ¥, т.е. двигатель пойдет в «разнос». К особенностям двигателя с последовательным возбуждением относится то, что его скорость вращения не является постоянной как у параллельного двигателя, а зависит от нагрузки. При больших механических нагрузках, а следовательно, и больших токах якоря I_Я благодаря росту падения напряжения на якоре I_Я×R_Я и особенно росту потока Ф скорость двигателя будет резко уменьшаться (7). Механическая характеристика двигателя с последовательным возбуждением «мягкая».

Основным достоинством двигателей с последовательным возбуждением является способность создавать больший вращающий момент при сравнительно небольших токах в якоре. Эта особенность двигателей в сочетании с их скоростной характеристикой обеспечила им широкое применение на электротранспорте, в кранах, в насосах.

Регулирование числа оборотов при помощи регулировочного реостата в цепи якоря принципиально не отличается от регулирования для двигателя с параллельным возбуждением и является неэкономичным. На практике, особенно в электротяге, чаще регулирование осуществляется при помощи шунтирования обмотки возбуждения, благодаря чему изменяется величина магнитного потока. В этом случае, согласно первому закону Кирхгофа, можно записать (см.рис.3)

I_Я = I_B+ I_Ш, (9)

где I_В – ток последовательной обмотки; I_Ш – ток в цепи регулировочного реостата, подключенного параллельно последовательной обмотке. Так как с уменьшением R_Ш увеличивается ток I_Ш и уменьшается ток I_В, а следовательно, и магнитный поток Ф, то скорость двигателя при этом будет возрастать (8).