4.2. Снятие характеристик мотора

Снимается зависимость скорости вращения ротора от напряжения на нём f(U) при токе статора I_ст=1 А.

1. Сопротивления обоих реостатов выставить на максимум.

2. Ключ К перевести в положение «Режим мотора». При этом включается питание обмотки ротора и отключается питание электродвигателя МУН-2 (полярность напряжения на вольтметре изменится, но это не имеет значения). При введённых на максимум сопротивления реостатах токи I_ст и I_р невелики и ротор вращаться не будет.

3. Реостатом R_ст установить ток статора I_ст=1 А и снять зависимость f(U), увеличивая напряжение на роторе U от 2,0 до 4,5 В с шагом 0,5 В.

Результаты измерений занести в таблицу 2:

Таблица 2. Зависимость скорости вращения f(U) при I_ст=соnst=1 А.

	U, В	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5
Iст=1 А	Iр, А
	f, об/с

4. Вернуть установку в исходное состояние: оба реостата – на максимум, частотомер, вольтметр и блок питания БПС-1 – выключить.

Установка остаётся в собранном состоянии.

5. Обработка и представление результатов

1. На основе табл. 1 построить семейство графиков (f) для разных токов I_ст. Графики должны быть прямыми, проходящими через точку 0 и наилучшим образом ( в некотором визуальном смысле) через все экспериментальные точки.

2. По каждому графику вычислить коэффициент

(формула (3)). Для этого на каждом графике-луче достаточно выбрать одну (любую, но подальше от начала 0) точку и взять для неё отношение / f. Вычисления округлять до двух значащих цифр.

Найти среднее значение =(k₁+k₂+k₃+k₄)/4 и оценить среднюю относительную погрешность в процентах.

3. На основе табл. 2 построить график f(U) для тока I_ст=1 А. Согласно (9), график должен быть прямой, пересекающей ось абсцисс справа от нуля. Провести такую прямую, визуально наилучшим образом проходящую через все экспериментальные точки. Отметить точку U₀ пересечения этой прямой с осью абсцисс.

Наклон прямой f(U) и точка U₀ позволяют ещё раз (независимо) вычислить коэффициент k, а также момент сил М на валу ротора.

4. Линейная зависимость ω(U), даваемая формулой (9), может быть представлена в виде: ω=aU−b, где − наклон прямой, − её сдвиг по вертикали вниз. Наклон а графически определяется как отношение на достаточно большой базе Δf и ΔU. Тогда

. (10)

Момент сил на валу ротора также определяется из (9) при ω=0, т.е. в точке U₀ при r=1,3 Ом, I_ст=1 А:

(11)

По формулам (10) и (11) вычислить поочерёдно k и М.

5. Полагая, что весь момент М на валу ротора создаётся только трением щёток о коллектор (хотя это не так: машина нагружена ещё и на двигатель МУН-2), оценить силу трения F_тр каждой угольной щётки о коллектор: момент пары сил М=F_трD, где D=4 см – диаметр коллектора, следовательно, F_тр=М/D.

Все расчёты, разумеется, − только в системе СИ.

6. Пусть напряжение на обмотке ротора U=4 В. Из формулы (9) оценить, при каком токе I_ст ротор начнёт вращаться. Значение М взять из п. 4.

7. Пусть I_ст=1 А. Из формулы (9) оценить, при каком напряжении U на роторе он начнёт вращаться.

________________________

В качестве отчёта представляются все графики, расчёты и результаты по п.п. 1-7.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Что такое электромагнитная индукция?

2. Назвать основные элементы машины постоянного напряжения.

3. Изложить принцип работы генератора постоянного напряжения.

4. Изложить принцип работы мотора постоянного напряжения.

5. Почему обмотки роторов генераторов и моторов постоянного напряжения делают многосекционными?

6. Почему ротор и статор делаются не из цельного железа, а набираются из изолированных пластин, причём железо для них берётся мягким?

7. Что такое пусковой ток электродвигателя? Чему он равен для мотора, исследуемого в настоящей работе, при напряжении U=4 В? Почему при разгоне ротора ток в рабочей обмотке падает?

8 . Что такое сила Ампера? В верхней части вертикальной секции рабочей обмотки мотора, из которой стрелка F на рис. 5 направлена вправо, ток направлен «от нас» или «на нас»?

9. Что такое ЭДС и выходное напряжение генератора? Изобразить график зависимости выходного напряжения от тока рабочей обмотки (формула (4)).

10. Что такое КПД генератора? Каковы каналы потерь энергии в генераторе, определяющих его КПД ?

11. Показать, что когда в рабочей обмотке генератора имеется ток, то в пренебрежении потерь на вихревые токи полная мощность генератора Р₀=I_р в точности равна механической мощности Р_з, затрачиваемой на вращение его ротора.

Подсказка. Когда в рабочей обмотке идёт ток, на неё действует пара сил Ампера и создаёт момент М. Мощность, затрачиваемая на вращение тела, есть произведение этого момента на угловую скорость:

Р_з= М Мω,

где ΔА=МΔα – элементарная работа поворота тела на малый угол Δα. Далее учесть (1) и (2).

12. Зависимость ω(I_cт), даваемая формулой (9), может быть представлена в виде: , где х=I_cт, , . Изобразить качественно график ω(х).

13. Решить задачи:

1). ЭДС генератора =2 В, а его внутреннее сопротивление r=1 Ом. Внешняя нагрузка потребляет мощность Р=0,75 Вт. Найти ток в цепи.

Ответ. Возможны два варианта: I₁=0,5 А и I₂=1,5 А.

2). К генератору с ЭДС  и внутренним сопротивлением r подключается нагрузка. При каком сопротивлении нагрузки R с генератора можно взять максимальную мощность? Чему она равна? Каков при этом КПД генератора? Изобразить график P(R).

Ответ. R=r; Р_max=²/(4r); =0,5.

3). Электродвигатель питается напряжением U=24 В. При токе I=8 А мощность на валу двигателя Р_мех=96 Вт. Какой ток I₀ пойдет через обмотку двигателя, если его ротор остановить?

Ответ. I₀=16 А.

Подсказка. Потребляемая работающим двигателем мощность Р=IU=Р_мех+I²r, где r – сопротивление обмотки, I²r – мощность тепловых потерь в обмотке.

4). Электромотор питается постоянным напряжением. Пусковой ток мотора (т.е. ток при заторможенном роторе) I₀=15 A, а в установившемся режиме некоторой нагрузки ток I=6 А. Определить КПД мотора при этой нагрузке.

Ответ.