
+Ел маш лаб 8
.odtЛабораторна робота №8.
Дослідження універсального колекторного двигуна
Мета роботи. Вивчити будову, принцип роботи та особливості універсального колекторного двигуна, з’ясувати принцип регулювання частоти обертання, оволодіти методикою проведення дослідів і навчитись аналізувати властивості колекторного двигуна за результатами досліджень.
ЗАГАЛЬНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ
У пристроях автоматики, приладах точної механіки, різних побутових приладах, електрифікованому ручному інструменті широко використовуються однофазні колекторні двигуни (КД) змінного струму потужністю від декількох ват до сотень ват. Порівняно з класичними асинхронними і синхронними двигунами змінного струму КД більш складні за конструкцією, відносно дорожчі та менш надійні в експлуатації, але їм властива надзвичайно важлива особливість – вони дозволяють у широких межах регулювати частоту обертання (п=3000...20000 об/хв) при частоті напруги живлення f=50 Гц. Останнє є вирішальним у створенні малогабаритного ручного інструменту, побутових машин та інших переносних електрифікованих пристроїв заданої потужності. Потужність Р і кутова частота ω електричної машини описуються рівняннями
тобто Р ~ nRF ⋅⋅ . Із останнього співвідношення випливає, що за доцільно обгрунтованим постійним значенням електромагнітного навантаження двигуна F геометричні розміри машини, які можна оцінити за величиною радіуса ротора R, та її масу можна зменшити за рахунок збільшення частоти обертання п.
Асинхронні та синхронні двигуни при частоті напруги живлення f=50 Гц не дозволяють досягти частоти обертання, більшої від синхронної f p 60 n ⋅= = 3000 об/хв. Підвищувати частоту обертання двигуна за рахунок збільшення частоти напруги живлення економічно недоцільно.
В якості однофазного КД, які забезпечують хороші пускові властивості та високу частоту обертання, широко використовують двигуни з послідовним збудженням. Інколи такі КД виконують універсальними (УКД), розрахованими для роботи як від електричної мережі постійного, так і змінного струму.
За конструкцією УКД подібний до машини постійного струму послідовного збудження; разом з тим він має декілька відмінностей.
1. В УКД з листової електротехнічної сталі виготовляються не тільки осердя ротора, але й нерухома частина магнітопроводу (полюси і ярмо статора). Цим досягається зменшення втрат потужності в сталі статора від вихрових струмів, оскільки в разі роботи на змінному струмі весь магнітопровід двигуна перетинається змінним магнітним полем і перемагнічується.
2. Обмотка збудження УКД виконується секціями з основними (О1-О2) та проміжними (С1-С2) виводами (рис. 2.1). У разі роботи УКД на постійному струмі під напругу електричної мережі вмикається вся обмотка збудження, а на змінному – лише її частина. Це поясняється тим, що на змінному струмі на величину струму та його фазу, а також на величину електромагнітного моменту двигуна впливають індуктивні опори обмоток якоря та збудження. Тому на змінному струмі, при однаковому навантаженні на валу, частота обертання двигуна буде меншою, ніж на постійному. Щоб наблизити частоти обертання УКД в обмотці збудження, у разі живлення змінним струмом, зменшують кількість витків.
Висновок: Я вивчив будову, принцип роботи та особливості універсального колекторного двигуна, з’ясувати принцип регулювання частоти обертання, оволодіти методикою проведення дослідів і навчитись аналізувати властивості колекторного двигуна за результатами досліджень.
Контрольні запитання
1. Чим пояснюється сильне іскріння щіток на колекторі УКД у разі живлення його від електричної мережі змінного струму?
Сильне іскріння щіток на колекторі УКД у разі живлення його від електричної мережі змінного струму пояснюється тим, що в УКД, як правило, використовуються щітки з вугільних матеріалів, які мають досить високу електричну опірність і здатні створювати іскри. При проходженні струму через щітки відбувається тертя щіток по поверхні колектора, що призводить до зношування щіток та утворення іскор, які можуть пошкодити колектор і зменшити ефективність роботи УКД.
2. Чому УКД під час роботи створює сильний шум?
УКД під час роботи створює сильний шум через різницю потенціалів між щітками і колектором, яка призводить до високовольтного пробою повітря і створення шуму. Крім того, шум може виникати через нестабільність роботи УКД при зміні навантаження або при зниженні якості контакту між щітками та колектором.
3. Що називають робочими (регулювальними) характеристиками УКД?
Робочі (регулювальні) характеристики УКД - це графіки, які показують залежність струму й напруги на обмотці ротора від кута повороту ротора (характеристика холостого ходу) або від навантаження на валу (характеристика з навантаженням). Ці характеристики дозволяють встановлювати оптимальні режими роботи УКД, а також регулювати струм і напругу в обмотці ротора для підтримання необхідного рівня електромагнітного поля та забезпечення потрібного кута фаз відносно напруги живлення.
4. Який вигляд мають робочі (регулювальні) характеристики УКД? Чому вони мають такий вигляд?
Робочі (регулювальні) характеристики УКД можуть мати різний вигляд в залежності від типу і конструкції устройства. Однак, загалом вони мають вигляд графіків залежності струму і напруги від кута повороту валу УКД.
Це пов'язано з тим, що при роботі УКД на валу відбувається зміна кута повороту, і це впливає на значення струму і напруги в колекторі. Крім того, робочі характеристики можуть залежати від параметрів живлення УКД, наприклад, частоти або напруги.
Вигляд робочих характеристик УКД також залежить від використовуваної системи живлення. Наприклад, при живленні постійним струмом робочі характеристики будуть прямолінійними, оскільки в цьому випадку струм через кожну з щіток і колектор буде постійним. Але при живленні змінним струмом робочі характеристики будуть кривими, оскільки значення струму і напруги будуть змінюватись в залежності від кута повороту валу.
5. Чому відрізняються робочі (регулювальні) характеристики УКД у разі живлення його постійним і змінним струмом?
Робочі (регулювальні) характеристики УКД залежать від типу струму, який його живить. УКД, який живиться від постійного струму, має лінійну регулювальну характеристику, що означає, що швидкість обертання пропорційна значенню струму в обмотці ротора.
УКД, який живиться від змінного струму, має не лінійну регулювальну характеристику. Це пов'язано з тим, що змінний струм має періодичний характер, тому він створює змінні магнітні поля в обмотках ротора та статора, що призводить до ефекту густих та розріджених точок на колекторі. Це може призвести до погіршення роботи щіток та збільшення шуму під час роботи УКД.
6. Назвіть області застосування УКД.
УКД (універсальний комутаторний двигун) застосовуються в багатьох галузях, де необхідна можливість швидкого регулювання швидкості обертання і підтримання постійної швидкості при зміні навантаження. Деякі з основних областей застосування УКД:
Електроінструменти (дрелі, лобзики, молоточкові дрелі, шліфувальні машинки тощо), які потребують регулювання швидкості обертання.
Обладнання промислових підприємств (конвеєри, транспортери, механізми для обробки металу тощо), де необхідна можливість регулювати швидкість руху механізмів.
Електрообладнання для дому (пилососи, вентилятори, міксери, м’ясорубки тощо), де потрібна можливість регулювання швидкості роботи.
Автомобільна промисловість, де УКД використовуються для приводу вентиляторів і насосів.
Інші галузі, такі як літакобудування, медичне обладнання, робототехніка тощо.