2652

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра «Электротехника»

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению лабораторной работы по дисциплине

«Электрические машины и электропривод» для студентов специальности 190301 – Локомотивы; 190302 – Вагоны;

190303 – Электрический транспорт железных дорог очной и заочной форм обучения

Составители: Т. Н. Буштрук А.Е. Дубинин

Самара

2010

1

УДК 621.313.333

Исследование двигателя постоянного тока параллельного возбуждения : мето-

дические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Электрические машины и электропривод» для студентов специальностей 190301 – Локомотивы, 190302 – Вагоны, 190303 – Электрический транспорт железных дорог очной и заочной форм обучения / Т. Н. Буштрук, А. Е. Дубинин. – Самара : СамГУПС, 2010. – 16 с.

Утверждены на заседании кафедры «Электротехника» 12.05.2010 г., протокол № 08. Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Методические указания разработаны в соответствии с программой, утвержденной учебно-методическим управлением по специальностям железнодорожного транспорта. Методические указания содержат необходимые краткие теоретические сведения по двигателям постоянного тока и методику проведения эксперимента.

Составители: Татьяна Николаевна Буштрук, Александр Ефимович Дубинин

Рецензенты: д. т. н., профессор, зав. кафедрой «Электромеханика и автомобильное электрооборудование» СамГТУ А. М. Абакумов;

д. т. н., профессор, зав. кафедрой «Вагоны» СамГУПС А. Н. Балалаев

Редактор И.М. Егорова Компьютерная верстка Н.Э. Егорова

Подписано в печать 26. 10. 2010. Формат 60x90 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 200 экз. Заказ № 245.

© Самарский государственный университет путей сообщения, 2010

2

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания предназначены для проведения лабораторных работ по исследованию характеристик двигателей постоянного тока согласно программе курса «Электрические машины и электропривод».

Электрические двигатели постоянного тока широко применяют в производстве, городском и железнодорожном транспорте. Основное достоинство двигателей постоянного тока заключается в возможности плавного регулирования частоты вращения и получения больших пусковых моментов.

Внастоящих методических указаниях приведены краткие теоретические сведения

опринципе действия, устройстве двигателей постоянного тока и программа проведения экспериментов. Лабораторные работы выполняются на специализированном оборудовании и являются частью цикла работ по электротехническим дисциплинам.

Квыполнению лабораторной работы следует приступить после тщательной проработки соответствующего раздела курса по одному из рекомендуемых учебников и лекционному материалу.

Внимание! Категорически запрещается в настоящих методических указаниях делать какие-либо пометки в тексте, на рисунках, заполнять образцы таблиц и т. п.

Цель работы: изучение принципа действия и устройства двигателя постоянного тока параллельного возбуждения, приобретение практических навыков по определению рабочих, электромеханических и механических характеристик.

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Электрические машины постоянного тока (МПТ) используют как в качестве генераторов, так и двигателей − это свойство обратимости. Наибольшее применение нашли двигатели постоянного тока (ДПТ), работающие в диапазоне мощности от долей ватт (в устройствах автоматики) до нескольких тысяч киловатт (в приводах металлургии, горнодобывающей промышленности, транспорте). Их широкое использование обусловлено большой перегрузочной способностью, хорошими пусковыми свойствами и возможностью плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне.

МПТ (двигатель) является коллекторной машиной. Коллектор − это механический преобразователь переменного тока в постоянный (механический выпрямитель в гене-

раторном режиме) и наоборот (инвертор в двигательном режиме). Применение кол-

лектора обусловлено тем, что в обмотке якоря должен протекать переменный ток, так как только в этом случае будет осуществляться непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии [1].

Принцип действия ДПТ рассмотрен на упрощенной модели, показанной на рис. 1. Между полюсами (1) N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть двигателя – якорь (2) и коллектор (3). В продольных пазах на сердечнике якоря расположена обмотка в виде одного витка (5), концы которого присоединены к двум медным изолированным друг от друга полукольцам, образующим простейший коллектор (3). На поверхность коллектора наложены щетки (4), осуществляющие скользящий контакт с коллектором и связывающие обмотку якоря с внешней цепью. Если к щеткам машины подвести напряжение от внешнего источника постоянного тока, то в обмотке якоря появится ток Iа. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем, создаваемым магнитом NS, возникнут электромагнитные силы Fэм. Каждая из этих сил действует на виток (5)

3

обмотки якоря и в совокупности создает на якоре электромагнитн ый момент М, который прив одит якорь во вращение. Таким о бразом, взаимодействие тока якоря с магнитным полем возбуж дения создает на якоре электромагн итный момент

После поворота якоря на 180о электромагнитные силы не изменяют своего направления, так как одновременно с переходом проводника обмотки якоря из зоны действия одно го магн итного п олюса в зону другого, меняется направление тока в проводниках. Рассмотренная упрощенная модель МПТ не обеспечивает устойчивой работы двигателя,

так как при прохождении проводника ми обмотки якоря геометрической нейтрали пп′ электромагнитные силы Fэм = 0 (магнитная индукция в середине межполюсного пространства равна нулю ). Но с увеличением чис ла проводников обмотки якоря и числа пластин коллектора вращение якоря двигателя становится устойчивым и равномерны м.

Рис. 1. Принцип действия ДПТ

Устройство М ПТ показано на р ис. 2. МП Т отличаются по функциональному назначению – двигатель и генератор, но общая конструктивная схема маш ин одинакова. ДПТ состоит из неподвижной части – статора, и вращающейся части – якоря. Статор состоит из с танины (6) и главных полюсов (4). Станину изготовляют из стали – материала, обладающего достаточной механ ической прочностью и большой магнитной проницаемостью; она служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода, так как через нее замыкается магнитный поток маш ины.

Главные полюс ы предназначены для создания в машине магнитного поля возбуждени я и состо ят из сердечника (4) и обмотки возбуждения (5). Со стороны, обращенной к якорю, серд ечник полюса имеет полюсной наконечник, который обеспечивает нео бходимое распределение магнитной индукц ии в зазо ре машины. Сердечники главных полюсов выполняют шихтованными из листовой ко нструкционной стали толщиной 1 2 мм или из тонколистовой электротехнической анизотропной холоднокатаной стали, например, марки 3411. Штампованные пластины главных пол юсов спец иально н е изолируют, так как тонкая пленка оксида на их поверхности достаточна для значительного ослабления вихревы х токов, наводимых в полюсных наконечниках, за счет пульсац ии магн итного потока, вы званных зубчатостью сердечника якоря. Ан изотропная сталь обладает повышенной магнитной проницаемостью вдоль проката. Пониженная магнитная проницаем ость поперек проката способствует ослаблению реакции якоря и уменьшению потока рассеяния главных и добавочных полюсов.

4

Рис. 2. Устройс тво маши ны постоянного тока:

1 – коллектор; 2 – щетки; 3 – сердечник; 4 – сердечник полюса; 5 – катушка возбуждения; 6 – станина; 7, 12 – подшипниковые щиты; 8 – вентил ятор; 9 – об мотка якоря;

1 0 – вал; 11 – лапы для креплени я

Якорь ДПТ состоит из в ала (10), сердечника (3) с я корной обмоткой и коллек тора

(1). Сердечник якоря имеет шихтованную конструкцию, его набирают из ш тампованных пластин тонколистовой электр отехнической стали. Готовый сердечник напрессовывают на вал якоря. Такая конструкция сердечника яко ря позволяет значи тельно ослабить в нем вихревые токи, возникающие в результате его перемагничивания в процессе враще ния в магнитном поле. На поверхности сердечника якоря имеют ся продольные пазы, в которые укладывают обмотку якоря. Обмотку выполняют из медного провода круглого или пря моугольного сечения. Пазы якоря после заполнения их проводами об мотки обычно закрывают клиньями (текстолитовыми или гет инаксовыми). В некоторых машинах на поверхность якоря накладываю т банда ж из проволоки и ли стеклоленты. Лобовые ч асти

(9) обмотки якоря крепят к обмоткодержателям бандаж ом. Проводники обмотки якоря соединяются с коллекторными пластинами.

Основными элементами коллектора (1) являются пластины трапецеидального сечения из твердотянуто й меди, собранные в цилиндрическую форму и разделенные м иканитовыми прокладкам и. По способу закрепления коллекторных п ластин различают два основных типа коллек торов: со стальн ыми конусными шайбами и на пластмассе. Э лектрический контакт с коллектором осуществляется посредством щеток (2). П лотный и надежный контакт между щеткой и коллектором – необходимое условие бесперебойной работы маши ны. Давление на щетку должно быть отрегулировано, иначе чрезмерный нажим вызовет преждевременный износ щетки и перегрев коллектора, а недостаточный – искрение на к оллекто ре.

В большинстве МПТ (двигатель) магнитное поле возбуждения соз дается обмоткой возбуждения, питаемой постоянн ым током . Свойс тва МПТ (двигателя) в значительной степени определяются способом возбуж дения, т . е. схемой включения обмотки

5

возбуждения относительно обмотки якоря. В зависимости от способа возбуждения ДПТ разделяют на двигатели: а) независимого возбуждения; б) параллельного (шунтового) возбуждения; в) последовательного (сериесного) возбуждения и г) смешанного (компаундного) возбуждения (рис. 3).

Рис. 3. Способы возбуждения ДПТ

исхема подключения ДПТ с параллельным возбуждением

Вдвигателях постоянного тока параллельного возбуждения (ДПТПВ)

напряжение возбуждения Uв и напряжение U, подведенное к цепи якоря, равны, поэтому обмотку возбуждения подключают параллельно обмотке якоря (рис. 3). Применение в двигателе того или иного способа возбуждения определяется схемой электропривода. Свойства ДПТ независимого и параллельного возбуждения одинаковы [1].

Основные понятия. При подключении двигателя к источнику постоянного тока в обмотке возбуждения и в обмотке якоря машины появятся токи. Взаимодействие тока якоря с магнитным полем возбуждения создаст на якоре электромагнитный момент М, который будет не тормозящим, а вращающим:

М= cмIaΦ,

где cм – конструктивная постоянная, Ia – ток якоря, Φ – магнитный поток.

Под действием электромагнитного момента М якорь машины начнет вращаться, т. е. двигатель будет потреблять из сети электрическую энергию и преобразовывать в механическую. При этом в обмотке якоря индуцируется ЭДС, направление которой проти-

воположно току якоря Ia, и поэтому ее называют противо-ЭДС. Основное уравнение двигателя, работающего с постоянной частотой вращения, имеет вид:

где U − питающее напряжение, Ea − индуцируемая ЭДС, Σr − сумма сопротивлений всех участков цепи якоря. Из этого уравнения следует, что подведенное к двигателю напряжение уравновешивается противо-ЭДС обмотки якоря и падением напряжения в цепи якоря. На основании (1) ток якоря

Умножив обе части уравнения (1) на ток якоря Iа, получим уравнение мощности для цепи якоря двигателя постоянного тока:

где UIa − мощность в цепи обмотки якоря; Iа2Σr − мощность электрических потерь в цепи якоря.

Учитывая Ea = (pN/60a)Φn = ceΦn и cм = pN/(2π a), ce – постоянная для данной машины, n – частота вращения якоря, в результате преобразований получим

EaIa= (pN/60a)ФnIa=(pN/60a)Ф(60ω/2π)Ia

или

EaIa= (pN/60a)ФnIa ω=cм ФnIa ω=Mω,

окончательно получим

где ω = 2πn/60 – угловая скорость вращения якоря; Рэм – электромагнитная мощность двигателя. Следовательно, выражение ЕаIа является электромагнитной мощностью двигателя. Преобразовав выражение (3), с учетом (4) получим

UIа = Mω + Iа2Σr.

Анализ этого уравнения показывает, что с повышением нагрузки на вал двигателя, т. е. с увеличением электромагнитного момента М, возрастает мощность в цепи обмотки

якоря UIа, т. е. мощность на входе двигателя. Но так как напряжение, подводимое к двигателю, поддерживается неизменным (U = const), то увеличение нагрузки двигателя сопровождается ростом тока в обмотке якоря Iа.

Подставив выражение ЭДС Еа = сеФп в формулу (1) и выразив частоту вращения двигателя (об/мин), получим

т. е. частота вращения двигателя прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку возбуждения. Физически это объясняется тем,

что повышение напряжения U или уменьшение потока Ф вызывает увеличение разности (U – Еа), что, в свою очередь, ведет к росту тока Iа. Вследствие этого возросший ток повышает вращающий момент, и если при этом нагрузочный момент остается неизменным, то частота вращения двигателя увеличивается.

Направление вращения якоря зависит от направлений магнитного потока возбуждения Ф и тока в обмотке якоря Iа. Поэтому изменив направление какой-либо из указанных величин, можно реверсировать двигатель, т. е. изменять направление вращения его якоря. Но при одновременном изменении направления тока в цепи якоря и в обмотке возбуждения направление вращения якоря двигателя остается прежним.

7

Эксплуатационные свойства ДПТ определяются их рабочими и механическими характеристиками.

Рабочие характеристики представляют собой зависимости частоты вращения п, тока Iа в обмотке якоря, коэффициента полезного действия η, момента М2, подводимой мощности Р1 от полезной мощности двигателя Р2 при неизменных значениях напряжения питания U и тока в обмотке возбуждения Iв (рис. 4, а) [2].

Рис. 4. Характеристики ДПТПВ: а – рабочие;

б– механические с введением добавочного сопротивления;

в– при ослаблении поля; г – при изменении питающего напряжения

Характеристика п = f(P2) имеет вид кривой, наклоненной к оси абсцисс. Такая форма характеристики объясняется тем, что с ростом нагрузки двигателя Р2 увеличивается

ток якоря Iа, следовательно, возрастает падение напряжения в цепи якоря IаΣr. В итоге уменьшается числитель (5), что ведет к снижению частоты вращения. Одновременно с ростом нагрузки усиливается реакция якоря; это уменьшает основной магнитный поток Ф, что способствует увеличению частоты вращения. В двигателях малой мощности с небольшим магнитным насыщением размагничивающее влияние реакции якоря невелико и характеристика п = f(P2) имеет вид кривой, слабо наклоненной к оси абсцисс. В двигателях мощностью в несколько киловатт и более реакция якоря проявляется значительнее, и с ростом нагрузки в определенном диапазоне частота вращения двигателя будет возрастать, и двигатель начнет работать неустойчиво. Для преодоления этого недостатка двигатели снабжаются легкой (несколько витков) стабилизирующей обмоткой, включенной последовательно в цепь якоря, чтобы ее МДС FCT была направлена согласно с МДС обмотки возбуждения FB. При увеличении нагрузки одновременно с усилением реакции якоря увеличивается МДС стабилизирующей обмотки FCT, которая компенсирует размагничивающее действие реакции якоря.

8

Характеристика момента М2 = f(P2) определяется выражением полезного момента (момента на валу), Н·м:

где п – частота вращения якоря, об/мин.

Если п =const, то график М2=f(P2) представляет собой прямую линию, выходящую из начала осей координат. Однако с ростом нагрузки двигателя частота вращения уменьшается, что приводит к нелинейности рассматриваемой характеристики.

Характеристика тока якоря Iа = f(Р2) 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.

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения якоря п от электромагнитного момента М при неизменных напряжении питания (U = соnst) и сопротивлении реостата в цепи возбужде-

ния (rрег = const). Подставив в (5) значение тока якоря Iа = М/(смФ), получим

где п0 = U/сеΦ − частота вращения двигателя при идеальном холостом ходе (М=0, Iа = 0);

п= [МΣr/(се см Φ2)] − перепад частоты вращения якоря, вызванный действием статического нагрузочного момента рабочей машины Мс.

Скоростная характеристика ДПТ вида п = f(Ia) является зависимостью частоты вращения п от тока в обмотке якоря при неизменном токе возбуждения и номинальном подведенном напряжении. Уравнение скоростной характеристики п= f(Ia) имеет вид

п=(U – IаΣr)/ceΦ.

Врежиме идеального х. х. ток в цепи якоря Ia = 0, следовательно, и момент М = 0, поэтому частота вращения в режиме идеального х. х.

п0 =U /(ceΦ).

Уравнения скоростной и механической характеристик можно привести к виду

п= п0 − п.

9

Если пренебречь размагничивающим действием реакции якоря и принять магнитный поток в двигателе неизменным, то механическая и скоростная характеристики ДПТ параллельного (независимого) возбуждения примут вид прямых с наклоном к оси абсцисс. Такие характеристики называются естественными.

Естественные механическая и скоростная характеристики ДПТПВ «жесткие», так как при увеличении нагрузки на валу двигателя до номинальной, частота вращения при сравнительнонебольшомпадениинапряжениявцепиякоря изменяется незначительно (5 – 10 %).

Если в цепь якоря двигателя ввести добавочное сопротивление Rдоб, R = Σr + Rдоб, то влияние нагрузки на величину п становится более значительным (ведет к уменьшению частоты вращения п − см. (7)), и характеристики становятся мягкими; их угол наклона к оси абсцисс увеличивается. Полученные таким образом характеристики называют искусственными (реостатными). При этом чембольшесопротивлениерезистораRдоб, теммягчемеханическиехарактеристики (рис. 4, б).

На форму механических характеристик влияет основной магнитный поток Ф, при уменьшении которого увеличиваются как частота вращения идеального холостого хода п0, так и перепад частоты вращения n, вызванный нагрузкой двигателя. При этом, если п0 обратно пропорциональна магнитному потоку Ф, то n обратно пропорционально Ф2. Такая зависимость слагаемых выражения (7) от магнитного потока Ф приводит к резкому изменению жесткости механической характеристики (рис. 4, в).

При изменении напряжения U, подводимого к цепи якоря, частота вращения идеального холостого хода п0 изменяется пропорционально изменению этого напряжения. Перепад частоты вращения n от напряжения U не зависит и при изменении U остается неизменным. В итоге наклон механических характеристик («жесткость») не меняется, и они смещаются вдоль осиординат, оставаясь параллельными другдругу(рис. 4, г).

Исследованию групп рабочих, механических и электромеханических характеристик ДПТ параллельного возбуждения посвящена настоящая лабораторная работа.

ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ

Лабораторную работу «Исследование двигателя постоянного тока параллельного возбуждения» выполняют на универсальном лабораторном комплексе, изготовленном Уральским филиалом РНПО «РОСУЧПРИБОР» [3]. При выполнении лабораторной работы используют электромашинный агрегат, состоящий из машины постоянного тока, машины переменного тока и преобразователя угловых перемещений. Электромашинный агрегат установлен на рабочем столе лабораторного стенда. Другие функциональные блоки расположены на вертикальной панели стенда. Там же выполнена мнемосхема электрических соединений, нанесены названия и типы блоков, показаны выключатели электропитания, держатели с предохранителями, гнезда для присоединения других устройств, регулировочные рукоятки.

В работе МПТ М1 используют как двигатель с параллельным возбуждением. Машину переменного тока G4 используют в качестве синхронного генератора. Ниже приведены паспортные данные используемых агрегатов.

Машина постоянного тока (101.1)

Номинальная мощность, Вт…………………………………………………………90

Номинальное напряжение якоря, В…………………………………….…...…….220

Номинальный ток якоря, А………………………………………………...……...0,76

Номинальная частота вращения, об/мин…………………………………..…….1500

10