Исследование двигателя постоянного тока параллельного возбуждения (120

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

А.Б. Красовский, Л.В. Ролдугин

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Методические указания к лабораторной работе № 13 по курсу «Электротехника и электроника»

Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана

2010

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

УДК 621.313.2 ББК 31.291-01 К78

Рецензент Е.Н. Баранов

Красовский А.Б.

К78 Исследование двигателя постоянного тока параллельного возбуждения : метод. указания / А.Б. Красовский, Л.В. Ролдугин. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 19, [5] с. : ил.

В методических указаниях описано исследование основных свойств двигателя постоянного тока параллельного возбуждения, его устройство, принцип действия, характеристики и способы регулирования частоты вращения.

Для студентов факультетов МТ, СМ, Э, РК.

УДК 621.313.2 ББК 31.291-01

c МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Цель работы — экспериментальное ознакомление с основными свойствами, характеристиками, схемой включения, способами пуска, изменения направления вращения и регулирования частоты вращения двигателя.

Двигатели постоянного тока применяют в различных отраслях промышленности. Их свойства существенно зависят от того, как изменяется их магнитный поток с увеличением или уменьшением нагрузки на валу. Эта зависимость определяется схемой включения их обмоток возбуждения. Различают двигатели параллельного (шунтовые), последовательного (сериесные), смешанного (компаундные) возбуждения.

В лабораторной работе изучается двигатель параллельного возбуждения. Он широко используется в системах автоматизированного электропривода роботов, металлорежущих станков, прокатных станов, подъемно-транспортных машин и других механизмов при повышенных требованиях к диапазону и плавности регулирования частоты вращения, а также к качеству динамических показателей.

1. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка, электрическая схема которой приведена на рис. 1, состоит из двигателя постоянного тока ДПТ, электромагнитного тормоза ЭТ, измерителя момента, трех управляемых выпрямителей VD1 − VD3, измерительных приборов, резисторов rп и rд, тахометра, коммутирующей аппаратуры, автоматических выключателей АВ5 — АВ8, кнопок ПУСК и СТОП, контакторов К1 – К3, реле времени РВ1 и РВ2, выключателей S1 и S20, перемычки П3.

3

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Рис. 1. Электрическая схема лабораторной установки

Для управления пуском и остановом двигателя используются контакторы и реле времени. Катушку контактора К1 включают и выключают кнопками ПУСК и СТОП. Резисторы rп и rд ограничивают пусковой ток двигателя.

Электромагнитный тормоз ЭТ создает тормозной момент на валу двигателя. Значение момента можно изменять регулятором R1 управляемого выпрямителя VD1.

Выключателем S1 предотвращается возможность пуска двигателя при включенном электромагнитном тормозе. Выключателем S20 можно включить резистор rд в цепь якоря двигателя. Перед

пуском двигателя выключатели S1 и S20 необходимо перевести в положение ВКЛЮЧЕНО, а после пуска выключатель S1 перевести в положение ВЫКЛЮЧЕНО.

Регулятор R2 выпрямителя VD2 служит для изменения тока в цепи возбуждения двигателя. Напряжение на якоре двигателя регулируется с помощью регулятора R3 выпрямителя VD3.

Измеритель момента создаваемого тормозом, состоит из датчика индуктивного ДИ, преобразователя П, прибора для измерения момента Нм и механизма передачи изменения положения индукто-

4

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

ра тормоза к датчику индуктивному ДИ. На лабораторном стенде установлен также цифровой тахометр, с помощью которого измеряют частоту вращения ротора двигателя.

Большая´ часть электрической цепи лабораторной установки смонтирована. На рис. 1 соответствующая ей часть схемы обведена штрихпунктирной линией.

2. ЗАДАНИЯ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1. Изучить электрическую схему установки (см. рис. 1), определить назначение всех ее элементов, найти их на лабораторном стенде (см. разд. 1), записать технические данные исследуемого двигателя (см. информацию на щитке двигателя).

Задание 2. Соединить обмотку якоря и обмотку возбуждения двигателя с одноименными гнездами стенда, установить перемычку П3.

Задание 3. Отчитаться перед преподавателем в выполнении заданий 1 и 2, затем осуществить пуск двигателя в режиме холостого хода (при отсутствии нагрузки на валу).

Указания.

Для исключения аварийного режима работы стенда при пуске двигателя (с разрешения преподавателя) необходимо соблюдать следующий порядок действий:

а) регулятор R1 повернуть до упора против хода часовой стрелки, чтобы напряжение на выходе выпрямителя UD1 после его включения было близко к нулю, затем включить АВ5;

б) включить АВ6 и регулятором R2 установить максимальное значение тока в обмотке возбуждения двигателя (пуск с недоста-

точным током возбуждения может привести к лавинообразному увеличению частоты вращения двигателя вплоть до его разрушения);

в) выключателем АВ7 включить выпрямитель UD3 и регулятором R3 установить напряжение на его выходе равным 220 В;

г) выключателем АВ8 включить цепь управления двигателем. После этого можно осуществлять пуск двигателя нажатием

кнопки ПУСК.

Задание 4. Провести опыт нагрузки для выяснения зависимостей частоты вращения двигателя n и тока якоря Iя от момента

5

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

M на валу, а также коэффициента полезного действия η oт мощности на валу Р2 при номинальных значениях напряжения Uн на зажимах якоря и тока возбуждения Iв.н. Результаты опыта занести в табл.1.

Таблица 1

Указания:

а) установить номинальное значение тока возбуждения Iв.н = = 0,55 А и поддерживать его во время опыта постоянным;

б) установить номинальное значение напряжения на зажимах якоря Uн = 220 В;

в) измерения провести при моментах нагрузки на валу двигателя, которые соответствуют следующим значениям тока якоря

Iя:

Iя1 = Iн; Iя2 ≈ 0,75Iн; Iя3 ≈ 0,5Iн; Iя4 ≈ 0,25Iн; Iя5 = Iх.х, где Iн — номинальное значение тока двигателя; Iх.х — значение тока

якоря при работе двигателя в режиме холостого хода (Мс = 0); г) после получения экспериментальных данных двигатель

не выключать, момент нагрузки установить равным нулю. Задание 5. Провести второй опыт нагрузки (U = Uн, Iв = Iв.н)

для определения характера изменения зависимостей n(М ) и Iя(М ) при включенном в цепь якоря добавочном резисторе rд. Результаты опыта занести в табл. 2.

Указания:

а) включить в цепь якоря резистор rд выключателем S20, переведя его в положение ВЫКЛЮЧЕНО;

б) ток возбуждения при проведении эксперимента поддерживать номинальным;

6

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

в) измерения проводить при тех же значениях тока якоря Iя, что и в предыдущем опыте (см. задание 4).

г) после получения экспериментальных данных двигатель

не выключать, момент нагрузки установить равным нулю. Задание 6. Выполнить третий опыт нагрузки (Iв = Iв.н, rд = 0)

для определения характера изменения зависимостей n(М ) и Iя(М ) при напряжении на зажимах якоря меньше номинального. Результаты опыта занести в табл. 3.

Указания:

а) установить значение напряжения на якоре U = 130 . . . 150 В; б) выключить резистор rд (выключатель S20 перевести в по-

ложение ВКЛЮЧЕНО); в) ток возбуждения во время опыта поддерживать номиналь-

ным; г) измерения провести при тех же значениях тока якоря, что и

в первом опыте (см. задание 5).

д) после получения экспериментальных данных двигатель

не выключать, момент нагрузки установить равным нулю. Задание 7. Провести четвертый опыт нагрузки (U = Uн,

rд = 0) для определения характера изменения зависимостей n(М ) и Iя(М ) при ослабленном магнитном потоке Ф. Результаты опыта занести в табл. 4.

Указания:

а) установить значение тока возбуждения примерно равным Iв = 0,4 А (не меньше) и поддерживать его постоянным;

б) установить на зажимах якоря номинальное напряжение;

в) измерения провести при тех же значениях тока якоря Iя, что и в предыдущих опытах (см. задания 5 — 7).

7

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

После завершения эксперимента выключить двигатель (с помощью кнопки СТОП), а затем источники напряжения стенда. Результаты опытов показать преподавателю.

Задание 8. Вычислить по данным табл. 1 значения тока I = Iя+ + Iв, потребляемой мощности Р1, мощности на валу Р2, КПД η (см. разд. 4.3). Результаты занести в табл. 1. Построить график

зависимости η(Р2).

Задание 9. Построить по данным табл. 1 — 4 в общих системах координат механические характеристики n(М ) и зависимости

Iя(М ).

3. ОТЧЕТ ПО РАБОТЕ

Отчет должен содержать электрическую схему и все материалы в соответствии с разд. 2.

4.ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

4.1.Устройство и принцип действия двигателя постоянного тока

Устройство машин постоянного тока (генераторов и двигателей) в упрощенном виде показано на рис. 2. К стальному корпусу 1 машины прикреплены главные 2 и дополнительные 4 полюса. На главных полюсах расположена обмотка возбуждения 3, на дополнительных — обмотка дополнительных полюсов 5. Обмотка возбуждения создает магнитный поток Ф машины.

На валу 10 двигателя закреплен цилиндрический магнитопровод 6, в пазах которого расположена обмотка якоря 7. Секции обмотки якоря присоединены к коллектору 9. К нему же прижимаются пружинами неподвижные щетки 8. Закрепленный на валу двигателя коллектор состоит из ряда изолированных от него и друг от друга медных пластин. У двигателей коллектор и щетки служат для преобразования постоянного по направлению тока внешней цепи в изменяющийся по направлению ток в проводниках обмотки якоря для сохранения неизменного направления вращающего момента. С их же помощью осуществляется соединение обмотки якоря с

8

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Дополнительные полюса с расположенной на них обмоткой уменьшают искрение между щетками и коллектором машины. Обмотку дополнительных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря и на электрических схемах обычно не изображают. Все обмотки изготавливают из изолированного медного провода.

Для уменьшения потерь мощности магнитопровод якоря выполнен из отдельных стальных листов.

Кроме двигателей, имеющих два главных полюса, существуют машины постоянного тока с четырьмя и большим´ числом главных полюсов. При этом соответственно увеличивается число дополнительных полюсов и комплектов щеток.

При взаимодействии магнитного поля, созданного обмоткой возбуждения, и тока в проводниках якоря возникает электромагнитный момент, действующий на якорь:

где kM — коэффициент, зависящий от конструктивных параметров машины; Φ — магнитный поток одного полюса; Iя — ток якоря.

Если электромагнитный момент превышает тормозящий момент, которым нагружен двигатель, якорь начнет вращаться. При увеличении частоты вращения n двигателя возрастает индуцируе-

мая в якоре ЭДС:

(2)

где kЕ — коэффициент пропорциональности, зависящий от конструктивных параметров машины.

Увеличение значения Е ведет к уменьшению тока якоря соглас-

где U — напряжение источника постоянного напряжения; rя — сопротивление обмотки якоря.

Следствием уменьшения тока якоря Iя является уменьшение момента двигателя М . При равенстве моментов двигателя М и нагрузки Мс частота вращения двигателя перестает изменяться.

Направление момента двигателя и, следовательно, вращения якоря зависит от направления магнитного потока и тока в проводниках обмотки якоря. Поэтому для изменения направления вращения двигателя следует изменить направление тока якоря либо тока

10