Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением

Цель работы: изучение основных рабочих свойств двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением, получение навыков управления пуском двигателя.

1. Описание установки

Объект исследования представляет собой установку из двух одинаковых машин постоянного тока, соединенных между собой с помощью муфты общим валом. Одна из них служит двигателем и испытывается в работе, а вторая работает в качестве генератора и создает тормозной момент на валу двигателя. Нагрузка в якорной цепи генератора дает возможность регулировать величину тормозного момента. Мнемоническая схема электрических машин постоянного тока приведена в левой части стенда.

На стенде имеются два амперметра с пределами 10 А, два амперметра для цепей возбуждения с пределами 1 А, два вольтметра с пределами 150 В, автомат АП–25–3Т для подачи постоянного напряжения на двигатель. Регулировочный реостат R_в1 для цепи возбуждения генератора, пусковой реостат для двигателя R_п и регулировочный реостат в цепи возбуждения двигателя R_в2.

2. Основные электрические величины двигателя постоянного тока

2.1. Электромагнитная сила

Выходной эл. величиной двигателя постоянного тока является эл. магнитный момент, вращающий якорь. Для возникновения эл. магнитного момента необходимо и достаточно наличие постоянного магнитного поля и обмотки якоря с током. Следовательно, в постоянном магнитном поле будет находиться проводник с током, на который действует эл. магнитная сила по закону Ампера:

F = BI_al , (5.1)

где В – магнитная индукция (характеристика постоянного магнитного поля); l – длина проводника; I_a – ток якоря, протекающий по проводнику.

Таким образом, принцип действия двигателя постоянного тока основан на законе Ампера.

2.2. Электромагнитный момент

Обмотка якоря представляет собой параллельные ветви с последовательно соединенными проводниками. Два последовательно соединенных проводника образуют секцию (рамку) обмотки, на которую будет действовать пара сил. Проводники или секции обмотки уложены в пазы сердечника якоря, который закреплен на валу. Следовательно, есть пара сил и диаметр сердечника якоря, что приводит к возникновению эл. магнитного момента:

M = C_мФI_a , (5.2)

где – постоянная для каждого двигателя величина, которая зависит от числа пар полюсов Р, количества активных проводников обмотки якоря N и числа пар параллельных ветвей а; Ф – магнитный поток в зазоре между полюсами и сердечником якоря.

2.3. Ток возбуждения

. (5.3)

2.4. Ток якоря

. (5.4)

2.5. Ток двигателя

I₁ = I_a + I_в . (5.5)

2.6. Напряжение на зажимах двигателя

U_a = E_a + I_aR_a , (5.6)

где Е_а = С_еФn – противоЭДС.

2.7. Частота вращения якоря

n = . (5.7)

2.8. Потребляемая мощность

Р₁ = U_aI₁ . (5.8)

2.9. Полезная мощность

Р₂ = . (5.9)

2.10. Коэффициент полезного действия

. (5.10)

2.11. Полезный момент

. (5.11)

Основное уравнение двигателя постоянного тока соответствует выражению (5.6), когда напряжение на зажимах двигателя уравновешенно противоЭДС и падением напряжения I_aR_a в цепи якоря.

3. Домашнее задание

3.1. Ознакомиться (по учебнику и конспекту лекций) с принципом работы двигателя постоянного тока, электромагнитными процессами в них и рабочими свойствами. Подготовить ответы на вопросы к работе.

3.2. По описанию ознакомиться с паспортными данными двигателя, стендом и расположением приборов.

3.3. Подготовить бланк отчета, в котором:

а) написать формулы противоЭДС, напряжения на якоре машины, электромагнитного момента двигателя, скорости вращения, по паспортным данным рассчитать номинальный момент;

б) начертить принципиальную схему включения двигателя с параллельным возбуждением и генератора, указав при этом включение реостатов, измерительных приборов;

в) записать номинальные данные двигателя;

г) подготовить таблицы на 5–7 замеров для снятия регулировочной, скоростной характеристик и для расчета рабочих характеристик.

4. Лабораторное занятие

4.1. Собрать схему цепей двигателя и генератора постоянного тока с пусковым и регулировочным реостатами согласно рис.5.1.

4.2. Произвести пуск двигателя постоянного тока. В момент пуска регулировочный реостат в цепи возбуждения двигателя должен быть полностью выведен, а пусковой – введен (положение рукоятки стоп). Затем плавно вывести рукоятку пускового реостата R_n в положение ход.

3. Произвести первый замер регулировочной характеристики (при снятии данной характеристики генератор не должен быть возбужден).

Рис. 5.1

4.4. Постепенно уменьшая ток возбуждения двигателя с помощью R_в2, произвести еще 5–6 замеров. При этом необходимо следить, чтобы скорость вращения двигателя не превышала на 25 % номинальной, указанной в паспорте.

4.5. Возбудить генератор и установить на его зажимах номинальное напряжение с помощью R_в1.

4.6. Произвести первый замер скоростной характеристики. При этом ток нагрузки генератора должен быть равен нулю.

4.7. Постепенно увеличивая нагрузку, произвести еще 5–6 замеров. При этом напряжение на зажимах двигателя должно оставаться постоянным!

4.8. Данные по регулировочной и скоростной характеристикам занести в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Регулировочная характеристика		Скоростная характеристика						Рабочая характеристика
n	Iв	n	Iв	Iа	Uа	Iа ген	Uа ген	Р2	Р1	М2	
Обмин	А	Обмин	А	А	В	А	B	Вт	Вт	Н·м

4.9. Выключить нагрузку, двигатель, ввести пусковой реостат и разобрать схему.

5. Обработка результатов

5.1. Регулировочная характеристика

Это зависимость n = f(I_в) при неизменном напряжении на зажимах двигателя U_а = const и токе якоря I_а  0 (х.х. двигателя). Данную характеристику построить в координатной сетке, где по вертикали откладывать частоту вращения, а по горизонтали – ток возбуждения. Формула, объясняющая вид характеристики (нелинейная) и соотношение величин, имеет вид

, (5.12)

где С_ф – постоянная по магнитному потоку величина.

Согласно (5.12) характеристика является практически гиперболической, асимптотически приближаясь к осям, т.е. при I_в = 0 частота вращения стремится к бесконечно большой величине и при I_в = частота вращения стремится к бесконечно малой величине (ползучая скорость).

5.2. Скоростная характеристика

Под скоростной характеристикой понимают зависимость n = f(I_а) при неизменном напряжении U_а = const и сопротивлении регулировочного реостата R_в2 = const. При неизменном R_в2 ток возбуждения I_в будет также неизменной величиной. Формула (5.7) объясняет вид характеристики (линейная) и соотношение величин (например, с увеличением I_а обороты двигателя уменьшаются). Тогда зависимость n = f(I_а) можно представить в виде:

n = n₀ - n , (5.13)

где – частота вращения при х.х.; – потери частоты вращения.

5.3. Рабочие характеристики

Это зависимость Р₁, М₁,  = f(Р₂) при неизменном напряжении и сопротивлении регулировочного реостата. Графики необходимо строить на одном рисунке, имеющем координатную сетку. Зависимые переменные величины Р₁, М₁,  необходимо откладывать по вертикальным осям, а независимую переменную Р₂ – по горизонтальной оси. Данные зависимости отражают рабочие свойства двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением.

6. Контрольные вопросы

1. В чем заключается принцип обратимости машин постоянного тока?

2. Как возникает вращающий момент в двигателе?

3. От чего зависит скорость вращения двигателя?

4. От чего зависит величина пускового тока двигателя?

5. Назначение пускового реостата.

6. Способы регулирования скорости вращения двигателя.

7. Почему нельзя пускать двигатель при полностью введенном регулировочном реостате?

8. Почему изменяется КПД двигателя при изменении нагрузки?

9. Для чего служит генератор в данной работе?

10. Как и почему происходит изменение скорости вращения при изменении момента нагрузки на валу двигателя.

Литература

[1, § 13.1 – 13.3, 13.6, 13.13 – 13.15; 2, § 11.1; 3, § 1.1-1.2, 10.1-10.4].

Лабораторная работа № 6