Информационно-образовательная среда

Пуск двигателя постоянного тока.

Ток якоря двигателя определяется формулой:

Если принять U и ∑r_а неизменными, то ток якорной обмотки Iа зависит от величины противо-Э.Д.С. E_а.

В начальный момент пуска якорь двигателя неподвижен (n=0) и в его обмотке не индуцируется ЭДС (Е_а=0). Поскольку сопротивление ∑r_а мало, то при прямом подключении двигателя к сети в его обмотке якоря возникает пусковой ток, который в 10…20 раз превышает номинальный ток двигателя.

Такой большой пусковой ток опасен для двигателя. Во-первых, он может вызвать круговой огонь на коллекторе, во-вторых, при таком токе в двигателе развивается чрезмерно большой пусковой момент, который оказывает ударное действие на вращающиеся части двигателя и может механически их разрушить. И наконец, этот ток вызывает резкое понижение напряжения в сети, что неблагоприятно отражается на работе других потребителей.

Для ограничения пускового тока используют пусковые реостаты, включаемые последовательно в цепь якоря.

Ограничение пускового тока производится до 2-х…3-х кратного значения номинального тока.

С появлением тока в цепи якоря I_Пmax (пусковой максимальный) возникает пусковой момент Mп_max., под действием которого начинается вращение якоря.

По мере нарастания частоты вращения увеличивается противо-Э.Д.С. E_a=C_e·Ф·n, что ведет к уменьшению пускового тока и пускового момента. Для того, чтобы обеспечить необходимый разгон двигателя необходимо поддерживать пусковой момент на определённом уровне, что достигается увеличением тока якоря путем частичного отключения пускового сопротивления. При этом увеличивается вращающий момент, частота вращения двигателя тоже увеличивается, что ведет к увеличению противо-Э.Д.С. и уменьшению тока якоря. Чтобы увеличить ток якоря отключается еще одна ступень пускового реостата и т.д. К концу пуска, когда частота вращения двигателя станет номинальной, пусковое сопротивление полностью отключается и ограничение тока якоря в этом случае производится за счёт величины противо-Э.Д.С. Е_а.

     Двигатели постоянного тока

Коллекторные электрические машины обладают свойством обратимости, т.е. они могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Если машину постоянного тока подключить к источнику энергии постоянного тока, то в обмотке возбуждения и в обмотке якоря машины появляются токи.

Взаимодействие тока якоря с магнитным полем обмотки возбуждения создает на якоре электромагнитный момент, который является не тормозящим, как у генератора, а вращающим. Машина будет работать в режиме двигателя и в ней будет происходить преобразование электрической энергии в механическую.

На валу двигателя создаются следующие моменты:

1)    Электромагнитный момент, который возникает за счет взаимодействия тока обмотки якоря с магнитным полем обмотки возбуждения:

2)    Момент холостого хода М₀, который обусловлен механическими и магнитными потерями внутри двигателя.

3)    Полезный момент, который создается со стороны рабочего механизма М₂. Сумма М₀ и М₂ дает статический момент М_ст= М₀+М₂.

При заданной нагрузке статический момент остается постоянным.

4)    При всяком изменении частоты вращения, на валу двигателя возникает динамический момент, который равен моменту инерции тела, умноженному на приращение угловой скорости:

В общем виде уравнение моментов имеет вид:

                                                    М=М_СТ М_д

Знак «+» или « » определяется характером изменения частоты вращения (при увеличении частоты вращения: знак «+», при уменьшении знак  

По мере разгона двигателя в его якорной обмотке появляется противо-Э.Д.С., направленная встречно току якоря. Ее значение определяется формулой:

E_a = C_e·Ф·n

По 2 закону Кирхгофа напряжение, подводимое к двигателю, уравновешивается величиной противо-Э.Д.С. и падением напряжения в цепи якоря:

Умножив обе части уравнения на ток якоря Iа, получим уравнение мощности для цепи якоря: , где

UI_a – полная мощность, взятая от источника;

E_aI_a – электрическая мощность двигателя E_aI_a=Р_эм=М_эм·ω;

I_a² ·∑r_a – тепловая мощность.

Из уравнения следует, что с увеличением нагрузки на вал двигателя, т.е. с увеличением электромагнитного момента, возрастает мощность в цепи обмотки якоря U·I_a, 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 I_а.

Частота вращения двигателя определяется в соответствии с формулой Э.Д.С. якоря:

Т.е. частота вращения двигателя прямо пропорциональна напряжению, подводимому к нему, и обратно пропорциональна магнитному потоку возбуждения.

        Двигатель параллельного возбуждения

Шунтовая обмотка возбуждения конструктивно выполняется так же, как у генератора.

Последовательно с обмоткой якоря включается пусковой реостат, перед запуском двигателя он должен быть полностью введен в электрическую цепь.

Реостат в цепи возбуждения R_рег служит для регулирования тока в обмотке возбуждения и магнитного потока главных полюсов.

Эксплуатационные свойства двигателя определяются его рабочими характеристиками, под которыми понимают зависимость частоты вращения n, тока Iа, полезного момента М₂, вращающего момента М_эм от   Рисунок 35             мощности на валу двигателя Р₂ при U=const и I_в=const

1)    n=f·(P₂) - скоростная характеристика

С увеличением мощности Р₂ увеличивается ток якоря I_a, а, следовательно, внутреннее падение напряжения в двигателе, за счет чего частота вращения n уменьшается; ∆n составляет 2…8% от n_н, т.е. скоростная характеристика двигателя параллельного возбуждения является жесткой.

2)    Зависимость полезного момента от нагрузки

M₂=f·(P₂) при n=const, I_в=const

Значение

При n=const график имел бы вид прямой, но т.к. с увеличением нагрузки частота вращения двигателя снижается, поэтому характеристика имеет нелинейный характер

3)     M₂=f·(P₂) при n=const

М=М_стат=М₀+М₂

Поскольку ток возбуждения I_в=const,

 то магнитные потери в двигатели постоянны, а, следовательно, постоянен и М₀. Поэтому график M=f·(P₂) проходит параллельно графику М₂.

                         Рисунок 36

4)    I_a=f·(P₂) поскольку M=C_M·Ф·I_a, то, приняв Ф=const, можно сказать, что график M=f·(P₂) по форму кривой будет совпадать с графиком I_a=f·(P₂).

Регулирование частоты вращения двигателя параллельного возбуждения.

Из формулы видно, что регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока можно осуществить:

1)    Введением дополнительного сопротивления в цепь якоря, которое включается аналогично пусковому реостату последовательно в цепь якоря, но в отличие от него дополнительное сопротивление должно быть рассчитано на продолжительное протекание тока.

Этот способ обеспечивает плавное регулирование частоты вращения в широком диапазоне, но только в сторону уменьшения от номинальной частоты вращения. Данный способ неэкономичен, т.к. имеют место значительные потери электроэнергии в дополнительном регулировочном сопротивлении (I²_a·R_д) и с увеличением мощности двигателя эти потери интенсивно растут.

2)    Регулирование частоты вращения изменением основного магнитного потока.

Этот способ реализуется регулированием тока возбуждения с помощью регулировочного реостата, включенного в цепь обмотки возбуждения.

Зависимость частоты вращения от тока возбуждения выражается регулировочной характеристикой n=f·(I_в) при I_a=const и U=const

С изменением магнитного потока Ф частота вращения увеличивается по гиперболическому закону.

                      Рисунок37

При небольшом нагрузочном моменте на валу двигателя максимальная частота вращения n_max во много раз превышает номинальную n_н, т.е. двигатель идет «вразнос», что недопустимо по условиям механической прочности двигателя.

12.3 Двигатель последовательного возбуждения.

Обмотка возбуждения включена последовательно в цепь якоря, поэтому магнитный поток в двигателе зависит от тока нагрузки I_a=I_в

Ф= k·I_в =k·I_a

Вращающий момент двигателя: М_эм=С_м·Ф·I_a=C_м·k·I_a·I_a=C_м·k·I_a² пропорционален квадрату тока нагрузки, поэтому у двигателя последовательного

                 Рисунок 38            возбуждения необходимый вращающий момент можно получить при меньшем токе нагрузки, а, следовательно, при меньшей мощности по сравнению с двигателем параллельного возбуждения.                                      

Частота вращения двигателя с увеличением нагрузки резко понижается.

При уменьшении нагрузки двигателя последовательного возбуждения частота вращения его резко увеличивается и при нагрузке меньше 25% от номинальной может достигнуть недопустимых значений, т.е. двигатель идет «вразнос».

                  Рисунок 39                   В связи с этим двигатель последовательного возбуждения нельзя запускать при нагрузке на валу меньше 25% от номинальной.

Не разрешается сочленять вал двигателя с валом рабочего механизма при помощи ременных передач, он должен быть жестко соединен с рабочим механизмом.

Регулирование частоты вращения двигателя последовательного возбуждения осуществляется:

1)    изменением напряжения, подводимого к двигателю, для этого последовательно в цепь якоря включается регулировочный реостат;

2)    шунтированием обмотки якоря, при этом увеличивается ток возбуждения, а частота вращения снижается;

3)    шунтированием обмотки возбуждения, при этом с уменьшением сопротивления шунтирующего реостата уменьшается ток возбуждения, а частота вращения увеличивается;

4)    секционированием обмотки возбуждения: отключение части витков обмотки ведет к увеличению частоты вращения.

12.4 Двигатель смешанного возбуждения

Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную.

Частота вращения этого двигателя:

Знак «+» соответствует согласованному включению обмоток возбуждения.

В этом случае с увеличением нагрузки общий магнитный поток возрастает за счет потока последовательной обмотки Ф₂, что ведет к уменьшению частоты вращения двигателя.

             Рисунок 40

При встречном включении обмоток поток Ф₂ размагничивает машину, что повышает частоту вращения. Работа двигателя при этом становится неустойчивой, т.к. с увеличением нагрузки частота вращения двигателя неограниченно растёт. Однако, при небольшом числе витков последовательной обмотки с увеличением нагрузки частота вращения не возрастает и во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменной. 

Двигатель смешанного возбуждения имеет преимущество по сравнению с двигателем последовательного возбуждения. Этот двигатель может работать вхолостую, т.к. поток параллельной обмотки Ф₁ ограничивает частоту вращения двигателя в режиме холостого хода и устраняет опасность «разноса».

Регулирование частоты вращения осуществляется реостатом R_рег в цепи параллельной обмотки возбуждения.

Задание в прикреплённом файле. Ответы присылать на oleg.loktionov.1966@mail.ru

Задание в прикреплённом файле. Ответы присылать на oleg.loktionov.1966@mail.ru

Задание в прикреплённом файле. Ответы присылать на oleg.loktionov.1966@mail.ru

Задание в прикреплённом файле. Ответы присылать на oleg.loktionov.1966@mail.ru

Задание в прикреплённом файле. Ответы присылать на oleg.loktionov.1966@mail.ru

Лабораторная работа №5 Исследование двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Цель работы: знакомство с устройством и принципом действия двигателя постоянного тока независимого возбуждения, изучить механические характеристики электродвигателя при различных способах регулирования частоты вращения.

Порядок выполнения работы:

1. Изучить техническое описание.

2. Убедиться, что все выключатели, кнопки, автоматические выключатели, дифференциальные автоматы, УЗО модулей стенда находятся в положении «ВЫКЛ» (положение выключателя питания «О»; кнопки - отжатое состояние; автоматического выключателя, дифференциального автомата, УЗО - «OFF»).

3. По указанию преподавателя, выбрать модули стенда для выполнения текущего задания. Расставить их на лабораторной стойке так, чтобы было удобно проводить эксперимент. Подготовить соединительные провода (перемычки), входящие в комплект поставки стенда.

4. Подключить защитное заземление

5. Подключить модули стенда к сети -220В 50Гц.

6. Соединить модули стенда согласно схеме соединений.

7. Провести эксперимент.

8. Отключить модули от сети -220В 50Гц.

9. Составить отчет по лабораторной работе.

3. Порядок проведения эксперимента:

В работе используются:

• модули: «Автотрансформатор регулируемый», «Источник питания ДПТ», «Мультиметры», «Силовой модуль»;

•  электромашинный агрегат.

3.1 Ознакомиться с принципиальной электрической схемой на рисунке 1.

3.2  Собрать схему по рисунку 1.

3.3  Представить схему для проверки преподавателю.

Характеристика холостого хода

3.4 Включить переключатель «ВКЛ.» модулей: «Автотрансформатор регулируемый», «Источник питания ДПТ», «Мультиметры», «Силовой модуль».

3.5 Вращая ручку модуля «Автотрансформатор регулируемый», установить минимальное значение напряжения U_JIATP на автотрансформаторе Т1.

3.6 По указанию преподавателя, путем вращения ручки «Uвых» модуля «Источник питания ДПТ» (Источник 2), установить величину напряжения в цепи якоря U_Я, в пределах 0...220В. По измерительным приборам РА2 (модуль «Источник питания ДПТ»), PV2 (мультиметр) считывать показания U_Я и I_Я. Данные занести в таблицу 1.

Таблица 1.

3.7 Регулируя величину напряжения в обмотке возбуждения Uв в пределах 0...220В, снять характеристику холостого хода двигателя постоянного тока с независимым возбуждением п= f(I_B). при U_Я   = const, I_Я = const. Для этого вращать ручку «Uвых» модуля «Источник питания ДПТ» (Источник 1). Данные о скорости снимать с субблока «Тахометр» модуля «Модуль силовой». По амперметру РА1 модуль «Источника питания ДПТ») и вольтметру PV1 (мультиметр) считатьпоказания I_В и U_В. Данные занести в таблицу1.

3.8 Выключить питание модулей: «Автотрансформатор регулируемый», «Источник питания ДПТ», «Мультиметры», «Силовой модуль».

3.9 Построить характеристику холостого хода двигателя постоянного тока n= f(I_В), при U_Я =const, I_Я = const.

Скоростная характеристика

3.10  Включить питание модулей «Автотрансформатор регулируемый», «Источник питания ДПТ», «Мультиметры», «Силовой модуль».

3.11  Вращая ручку модуля «Автотрансформатор регулируемый» установить минимальное значение напряжения U_ЛATP на ЛАТРе.

3.12  Установить значение напряжения обмотки якоря двигателя постоянного тока по указанию преподавателя. Для этого вращать ручку «Uвых» модуля «Источник питания ДПТ» (Источник 2) от крайнего левого положения. Данные считывать по вольтметру PV2 (мультиметр).

3.13  По указанию преподавателя, установить значение тока обмотки возбуждения двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Для этого вращать ручку «Uвых» модуля «Источник питания ДПТ». Данные считывать с амперметра РА1 (Источник 1).

3.14  Снять скоростную характеристику двигателя постоянного тока с независимым возбуждением п = f(I_Я), при Uя = const, I_В = const. Для этого вращая ручку модуля «Автотрансформатор регулируемый» в диапазоне U_ЛАТР= 0...250В, тем самым постепенно увеличивая нагрузку на валу двигателя постоянного тока снимать показания тока якоря I_Я с амперметра РА2 (Источник 2) и число оборотов вала двигателя п. Данные о скорости снимать с субблока «Тахоме-: модуля «Модуль силовой». Данные занести в таблицу 2.

Таблица 2

3.15 Выключить питание модулей «Автотрансформатор регулируемый», «Источник питания ДПТ», «Мультиметры», «Силовой модуль».

3.16  Построить скоростную характеристику двигателя постоянного тока независимым возбуждением п=f(I_Я), при Uя = const, I_B = const.

Регулировочная характеристика

3.17  Включить питание модулей «Автотрансформатор регулируемый «Источник питания ДПТ», «Мультиметры»), «Силовой модуль».

3.18  Вращая ручку модуля «Автотрансформатор регулируемый» установить минимальное значение напряжения U_ЛАТР.

3.19  Вращая ручки «Uвых» модуля «Источник питания ДПТ» (Источник 1, Источник 2), установить номинальное напряжение возбуждения, номинальную скорость вращения двигателя n=1500 об/мин. Данные о скорости снимать с субблока «Тахометр» модуля «Модуль силовой». По амперметру РА1 и вольтметру PV1 (мультиметр) считать показания I_В и U_B. Данные занести таблицу 3.

3.20  Снять регулировочную характеристику двигателя постоянного тока независимым возбуждением I_В=f(I_Я), при Uя= const,         Для   этого вращать ручку модуля «Автотрансформатор регулируемый» в диапазоне 0...250В, тем самым постепенно увеличивая нагрузку на валу двигателя U_ЛАТР, снимать показании тока якоря I_Я по амперметру РА2 (Источник 2) и тока обмотки возбуждения I_В по амперметру РА1 (Источник 1). Скорость вращения поддерживать постоянной путем подстройки U_B. Данные занести в таблицу 3.

3.21  Выключить питание модулей «Автотрансформатор регулируемый», «Источник питания ДПТ», «Мультиметры», «Силовой модуль».

Таблица 3

3.22 Построить регулировочную характеристику двигателя постоянного тока независимого возбуждения I_В=f(I_Я) при U_Я=const, n=const.

1       Сделать выводы по работе

1 Пуск двигателя постоянного тока.

Ток якоря двигателя определяется формулой:

Если принять U и ∑r_а неизменными, то ток якорной обмотки Iа зависит от величины противо-Э.Д.С. E_а.

В начальный момент пуска якорь двигателя неподвижен (n=0) и в его обмотке не индуцируется ЭДС (Е_а=0). Поскольку сопротивление ∑r_а мало, то при прямом подключении двигателя к сети в его обмотке якоря возникает пусковой ток, который в 10…20 раз превышает номинальный ток двигателя.

Такой большой пусковой ток опасен для двигателя. Во-первых, он может вызвать круговой огонь на коллекторе, во-вторых, при таком токе в двигателе развивается чрезмерно большой пусковой момент, который оказывает ударное действие на вращающиеся части двигателя и может механически их разрушить. И наконец, этот ток вызывает резкое понижение напряжения в сети, что неблагоприятно отражается на работе других потребителей.

Для ограничения пускового тока используют пусковые реостаты, включаемые последовательно в цепь якоря.

Ограничение пускового тока производится до 2-х…3-х кратного значения номинального тока.

С появлением тока в цепи якоря I_Пmax (пусковой максимальный) возникает пусковой момент Mп_max., под действием которого начинается вращение якоря.

По мере нарастания частоты вращения увеличивается противо-Э.Д.С. E_a=C_e·Ф·n, что ведет к уменьшению пускового тока и пускового момента. Для того, чтобы обеспечить необходимый разгон двигателя необходимо поддерживать пусковой момент на определённом уровне, что достигается увеличением тока якоря путем частичного отключения пускового сопротивления. При этом увеличивается вращающий момент, частота вращения двигателя тоже увеличивается, что ведет к увеличению противо-Э.Д.С. и уменьшению тока якоря. Чтобы увеличить ток якоря отключается еще одна ступень пускового реостата и т.д. К концу пуска, когда частота вращения двигателя станет номинальной, пусковое сопротивление полностью отключается и ограничение тока якоря в этом случае производится за счёт величины противо-Э.Д.С. Е_а.