Расчет номинальных данных и построение

Введение.

 

Двигатели постоянного тока (ДПТ) широко используются в электроприводе. Они обладают рядом особенностей по сравнению с другими электрическими машинами. При выполнении данной домашней контрольной работы студенты знакомятся, практически, со всеми основными вопросами, связанными с анализом работы двигателей постоянного тока. Студенты рассчитывают естественную механическую характеристику, рассматривают пуск, торможение и регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока (ДПТ).

Полный объем домашнего задания (ДЗ) по расчету основных характеристик ДПТ включает следующие вопросы:

1. Расчет естественной механической характеристики n(M) и электромеханической характеристики n(I_Я).

2. Расчет искусственных механических характеристик n(M) ДПТ при различных способах регулирования n:

- при изменении напряжения источника питания U;

- при введении в цепь ротора ДПТ добавочного сопротивления

R_{Я ДОБ};

- при изменении потока возбуждения Ф.

3. Расчет искусственных механических характеристик n(M) ДПТ при различных способах электрического торможения:

- при генераторном торможении;

- при динамическом торможении;

- при торможении противовключением.

4. Расчет семейства пусковых механических характеристик n(M), обеспечивающих пуск ДПТ при трехступенчатом разгоне.

5. Расчет рабочих характеристик ДПТ.

Исходные данные вариантов домашнего задания приведены в таблицах 1.1 и 1.2. Методика расчета всех пунктов домашнего задания рассмотрена ниже.

По усмотрению преподавателя для отдельных специальностей могут выполняться не все пункты задания.

Выбор студентом номера варианта исходных данных осуществляется по порядковому номеру, под которым студент числится в журнале у старосты группы.

 

 

Требования к оформлению отчета.

 

Отчет по выполненной расчетно-графической работе должен содержать:

1. Титульный лист (см. стр.31.).

2. Текст домашнего задания с приведением всех исходных данных рассматриваемого варианта.

3. Последовательное выполнение всех пунктов задания с приведением расчетных формул и подставляемых в них числовых значений. (Формула – подставляемые числа – ответ с единицами измерения).

4. При выполнении каждого пункта задания необходимо приводить краткие пояснения о сути выполняемых действий.

5. После выполнения расчетов по каждому пункту задания приводятся расчетные данные и строятся требуемые по заданию графики.

6. Графики должны быть построены аккуратно, в крупном масштабе, с помощью чертежных инструментов или с использова-нием ПЭВМ.

7. В конце каждого пункта задания необходимо сделать выводы по результатам проведенных расчетов.

8. Домашнее задание должно быть выполнено и представлено на проверку преподавателю в указанные сроки.

 

 

1. Содержание домашнего контрольного задания.

 

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ ПО ТЕМЕ

«Двигатели постоянного тока с параллельным возбуждением»

 

 

Для двигателей постоянного тока с независимым возбуждением (см. табл. 1.1, 1.2.) выполнить следующие расчеты и построения:

1. Нарисовать электрическую схему включения двигателя постоянного тока (ДПТ) с параллельным возбуждением.

2. Рассчитать и построить на одном графике естественные механическую n(M) и электромеханическую n(I_Я) характеристики. Определить частоту вращения n_D при заданном моменте сопротивления M_D = M_Н٠t на валу двигателя.

3. Рассчитать и построить на одном графике естественную и искусственные характеристики n(M) при различных способах регулирования частоты вращения n двигателя постоянного тока. Определить для каждого случая частоту вращения n_D при заданном моменте сопротивления M_D = M_Н٠t на валу двигателя:

а) при регулировании изменением напряжения сети (U^/ = U٠q1);

б) при реостатном регулировании (R_{Я ДОБ} = R_Я٠q2);

в) при изменении потока возбуждения (Ф^/ = Ф∙q1).

4. Рассчитать и построить на одном графике естественную и искусственные характеристики n(M) при различных способах торможения ДПТ:

а) при генераторном торможении, начиная с режима

n_Т = n_Н٠h1 и M_Т = M_Н٠t.

б) при динамическом торможении, начиная с режима

n_Т = n_D и M_Т = M_Н٠t;

в) при торможении противовключением, начиная с режима:

n_Т = n_Н٠h2 и M_Т = M_Н٠t при реостатном торможении;

n_Т = n_D и M_Т = M_Н٠t при торможении с изменением

полярности напряжения на обмотке якоря.

5. Рассчитать и построить на одном графике естественную и семейство

реостатных пусковых характеристик n(M), обеспечивающих трехступенчатый пуск двигателя постоянного тока до выхода его в рабочий режим (при M_D = M_Н٠t).

6. Рассчитать и построить на одном графике рабочие характеристики двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

n, I_Я, M, P₁, кпд = f(P₂) при работе двигателя на естественной

характеристике n(M).

 

Таблица вариантов исходных данных.

 

Таблица 1.1.

Вар.	РН Вт	UН В	nН об/мин	КПД %	RЯ Ом	RДОП. П. Ом	RВОЗБ Ом	Данные из таб.1.2
				0,66	2,10	1,297		а
				0,675	7,74	5,17		б
				0,72	1,083	0,659		в
				0,725	4,38	2,62		г
				0,70	0,563	0,565	84,3	д
				0,71	2,48	2,13		е
				0,685	0,74	0,74		ж
				0,685	3,13	3,336		з
				0,74	0,378	0,378		и
				0,75	1,66	1,45		а
				0,71	0,346	0,224	54,5	б
				0,705	1,38	1,00		в
				0,765	0,185	0,148	54,5	г
				0,77	0,74	0,486		д
				0,76	0,269	0,22		е
				0,765	1,08	0,915		ж
				0,82	0,12	0,089		з
				0,825	0,518	0,323		и
				0,805	0,145	0.101	46,4	а
				0,80	0,59	0,43		б
				0,835	0,081	0,056	46,4	в
				0,845	0,326	0,208		г
				0,82	0,096	0,073	49,4	д
				0,825	0,385	0,364		е
				0,855	0,216	0,175	49,4	ж
				0,865	0.833	0,60		з
				0,825	0,084	0,056	49,2	и
				0,835	0,338	0,221		а
				0,86	0,038	0,025	49,2	б
				0,865	0,15	0,092		в
				0,835	0,065	0,04	34,0	г
				0,84	0,26	0,183		д
				0,865	0,025	0,018	34,7	е
				0,875	0,125	0,08		ж
				0,885	0,083	0,053	42,0	з

Таблица 1.2.

Вариант	а	б	в	г	д	е	ж	з	и
t	0,6	0,8	0,5	0,7	0,9	0,8	0,4	0,3	0,7
q1	0,8	0,85	0,7	0,75	0,9	0,85	0,6	0,55	0,8
q2	3,5			2,5
h1	1,3	1,25	1,2	1,15	1,1	1,05	1,5	1,4	1,35
h2	0,8	0,5	0,6	0,4	0,3	0,25	0,7	0,35	0,45

 

 

Генераторное торможение.

Условие перехода ДПТ в режим генераторного торможения.

Электрическая схема двигателя постоянного тока приведена на рис.4.1. Направление тока I_Я на схеме соответствует работе машины в режиме двигателя (Е↑↓I_Я; Р < 0), электрическая энергия потребляется из сети.

 

 

Рис.4.1.

 

На графике механической характеристики n(M) (см. рис.4.2.) этому соответствует точка 1, в которой n < n₀ и E < U. Здесь n₀ – частота вращения ротора ДПТ в режиме холостого хода (М_С = 0).

Уравнение механической характеристики n(M)

n = U/(С_Е٠Ф) - M٠(R_Я + R_{ДОП ПОЛ} )/(С_Е٠С_М٠Ф²) = n₀ – Δn.

Здесь М = С_МФ٠I_Я – момент, развиваемый двигателем;

I_Я = (U - E)/R_Я – ток в цепи якоря;

Е = С_ЕФ٠n – э.д.с. в обмотке якоря.

 

 

Рис.4.2.

 

Режим генераторного (рекуперативного) торможения наступает, когда частота вращения ротора n оказывается больше частоты вращения ротора в режиме холостого хода n₀ (см. рис.4.2, точка 2).

 

При n > n₀ E > U и ток якоря I_Я становится отрицательным, т.е. меняет направление. Ток якоря и э.д.с. оказываются направленными в одну сторону (Е↑↑I_Я , Р > 0), машина постоянного тока работает в режиме генератора, электрическая энергия отдается в сеть.

Рабочая точка машины постоянного тока находится во втором квадранте (точ. 2, рис.4.2.).

Так как ток якоря I_Я поменял направление и стал отрицательным, соответственно меняет направление и момент, тоже становится отрицательным, т.е. тормозит вращение ротора (М = М_Т < 0).

По условию задания требуется рассчитать тормозную реостатную характеристику, соответствующую генераторному торможению и обеспечивающую при заданном моменте торможения М_Т частоту вращения n_Т (точ. 3.).

Решение этой задачи проводим в два этапа.

На первом этапе определяем частоту вращения n_ТЕ при работе ДПТ на естественной характеристике (R_{Я ДОБ} = 0) и при заданном тормозном моменте М_Т

n_ТЕ = U/(С_Е٠Ф) + M_Т٠(R_Я + R_{ДОП ПОЛ} )/(С_Е٠С_М٠Ф²).

На втором этапе определяем величину добавочного сопроти-вления R_{Я ДОБ}, вводимого в цепь якоря и обеспечивающего прохождение реостатной характеристики n^/(M) через точку 3 с координатами М_Т и n_Т (M_Т = M_Н∙t, n_Т = n_Н∙h1). Воспользуемся выражением

n_Т = U/(С_Е٠Ф) + M_Т٠(R_Я + R_{ДОП ПОЛ} + R_{Я ДОБ})/(С_Е٠С_М٠Ф²).

Задавая числовые значения М_Т и n_Т, определяем R_{Я ДОБ}.

Затем необходимо рассчитать и построить на одном графике естественную n_ТЕ(M) и реостатную n_Т(M) механические характеристики, соответствующие генераторному торможению (см. рис.4.2.).

На построенных характеристиках n(M) показываем расчетные точки, соответствующие тормозному моменту М_Т.

Далее необходимо указать преимущества и недостатки рассмотрен-ного метода торможения и сделать выводы о целесообразности его применения.

 

Динамическое торможение.

Описание процесса торможения.

При выполнении динамического торможения ДПТ цепь якоря двигателя отключается от сети постоянного напряжения и замыкается на реостат с сопротивлением R_ДОБ (см. рис.4.3.).

 

 

 

Рис.4.3.

 

Ротор по инерции продолжает вращаться, в обмотке якоря (на роторе) наводится э.д.с. Е. Так как напряжение внешнего источника на обмотке якоря отсутствует, ток в цепи определяется выражением

I_Я = (- E)/(R_Я + R_{ДОП ПОЛ} + R_ДОБ) < 0.

Ток I_Я и момент М = С_МФ٠I_Я становятся отрицательными, момент действует против направления вращения ротора, т.е. становится тормозящим. Наклон характеристики динамического торможения определяется величиной суммарного сопротивления в цепи якоря (R_Я + R_{ДОП ПОЛ} + R_ДОБ).

 

 

 

Рис.4.4.

 

На рис.4.4 точка 1 соответствует работе машины в двигательном режиме на естественной характеристике (первый квадрант). При выполнении динамического торможения рабочая точка ДПТ попадает в точку 2 на характеристике динамического торможения (второй квадрант). Далее частота вращения n ДПТ начнет уменьшаться, рабочая точка будет двигаться по характеристике из точки 2 к точке 0. Этим способом возможно торможение ДПТ до n = 0.

 

Чтобы представить вид характеристики n(M) двигателя постоянного тока при динамическом торможении (2 квадрант, рис. 4.4.) достаточно характеристику n(M) при генераторном торможении, рассмотренную ранее (рис. 4.2.), сместить вниз на величину n₀. Полученная характерис-тика будет проходить через начало координат графика n(M).

 

Расчет характеристики n(M) при динамическом торможении.

Требуется рассчитать и построить реостатную характеристику n_Т(M), соответствующую динамическому торможению и проходящую через точку с координатами М_Т и n_Т.

Расчет проводим в два этапа:

а) расчет характеристики n_ТЕ(M) при R_ДОБ = 0;

б) расчет реостатной характеристики n_Т(M) (при R_ДОБ ≠ 0), проходящей через расчетную точку с заданными координатами М_Т и n_Т.

Расчет характеристики n_Т(M_Т) при R_ДОБ = 0.

Первый этап - расчет характеристики при R_ДОБ = 0.

Уравнение механической характеристики n_ТЕ(M), соответствующее динамическому торможению (при R_ДОБ = 0), принимает вид

n_ТЕ = M_Т٠(R_Я + R_{ДОП ПОЛ} )/(С_Е٠С_М٠Ф²).

Полученное выражение соответствует прямой линии, проходящей через начало координат. Угол наклона ее к оси абсцисс равен углу наклона естественной характеристики n(M) ДПТ.

При динамическом торможении ДПТ, работающего, например, в номинальном режиме (n = n_Н) без добавочного сопротивления в цепи якоря (R_ДОБ = 0), возникнут ток якоря I_Я и тормозной момент М_Т многократно превышающие их номинальные значения.

I_ЯТ = - Е / (R_Я + R_{ДОП ПОЛ} ) >> I_{Я НОМ},

и М_Т = С_МФ٠I_ЯТ >> М _НОМ.

Второй этап – расчет реостатной характеристики n_Т(M) при R_ДОБ ≠ 0.

Чтобы избежать аварии ДПТ, в цепь якоря вводят ограничивающее сопротивление R_ДОБ ≠ 0 (см. рис.4.3.). При этом получаем

I_ЯТ = - Е / (R_Я + R_{ДОП ПОЛ} + R_ДОБ) < 2×I_{Я НОМ};

n_Т = M_Т٠(R_Я + R_{ДОП ПОЛ} + R_ДОБ) / (С_Е٠С_М٠Ф²).

Подставляя в полученное выражение n_Т(M_Т) числовые значения координат заданной точки (n_Т и M_Т), через которую должна проходить реостатная характеристика, определяем величину соответствующего R_ДОБ.

На общем графике строим естественную характеристику n(M), соответствующую работе машины в двигательном режиме, и две тормозных характеристики: n_ТЕ(M) при R_ДОБ = 0 и реостатную n_Т(M) (см. рис.4.4.). На них показываем частоты вращения, соответствующие заданному М_Т.

Далее необходимо указать преимущества и недостатки рассмотрен-ного метода торможения и сделать выводы о целесообразности его применения.

 

Литература.

 

1. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника. Учебник для вузов – М.: Энергоатомиздат, 1985.

2. Липатов Д.Н. Вопросы и задачи по электротехнике для программи-рованного обучения. Учебное пособие для студентов вузов. – М.:

Энергоатомиздат, 1984.

3. Электротехника и электроника. Учебник для вузов. / Под редакцией

В.Г.Герасимова. - М.: Энергоатомиздат, 1997.

4. Сборник задач по электротехнике и основам электроники.

/ Под редакцией В.Г. Герасимова.: Учебное пособие для вузов.- М.:

Высшая школа, 1987.

5. Справочник по электрическим машинам: В двух томах / Под

редакцией И.П. Копылова, Б.К. Клокова. - М.: Энергоатомиздат,

1988.

6. Токарев Б.Ф. Электрические машины: Учебное пособие для вузов.

- М.: Энергоатомиздат, 1990.

7. Копылов И.П. Электрические машины. Учебник для вузов.

- М.: Энергоатомиздат, 1986.

 

Образец титульного листа.

 

 

Московский государственный технический университет

имени Н. Э. Баумана

 

Кафедра электротехники и промышленной электроники

 

 

Домашнее задание № 3

по курсу «Электротехника и электроника» на тему:

РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ.

 

 

Вариант № 10

 

Выполнил: студент Иванов Б.В.

группа РК – 9,61

 

Проверил: доцент Волченсков В.И.

 

Дата сдачи работы на проверку _____

 

 

Москва, 2007

 

 

Введение.

 

Двигатели постоянного тока (ДПТ) широко используются в электроприводе. Они обладают рядом особенностей по сравнению с другими электрическими машинами. При выполнении данной домашней контрольной работы студенты знакомятся, практически, со всеми основными вопросами, связанными с анализом работы двигателей постоянного тока. Студенты рассчитывают естественную механическую характеристику, рассматривают пуск, торможение и регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока (ДПТ).

Полный объем домашнего задания (ДЗ) по расчету основных характеристик ДПТ включает следующие вопросы:

1. Расчет естественной механической характеристики n(M) и электромеханической характеристики n(I_Я).

2. Расчет искусственных механических характеристик n(M) ДПТ при различных способах регулирования n:

- при изменении напряжения источника питания U;

- при введении в цепь ротора ДПТ добавочного сопротивления

R_{Я ДОБ};

- при изменении потока возбуждения Ф.

3. Расчет искусственных механических характеристик n(M) ДПТ при различных способах электрического торможения:

- при генераторном торможении;

- при динамическом торможении;

- при торможении противовключением.

4. Расчет семейства пусковых механических характеристик n(M), обеспечивающих пуск ДПТ при трехступенчатом разгоне.

5. Расчет рабочих характеристик ДПТ.

Исходные данные вариантов домашнего задания приведены в таблицах 1.1 и 1.2. Методика расчета всех пунктов домашнего задания рассмотрена ниже.

По усмотрению преподавателя для отдельных специальностей могут выполняться не все пункты задания.

Выбор студентом номера варианта исходных данных осуществляется по порядковому номеру, под которым студент числится в журнале у старосты группы.

 

 

Требования к оформлению отчета.

 

Отчет по выполненной расчетно-графической работе должен содержать:

1. Титульный лист (см. стр.31.).

2. Текст домашнего задания с приведением всех исходных данных рассматриваемого варианта.

3. Последовательное выполнение всех пунктов задания с приведением расчетных формул и подставляемых в них числовых значений. (Формула – подставляемые числа – ответ с единицами измерения).

4. При выполнении каждого пункта задания необходимо приводить краткие пояснения о сути выполняемых действий.

5. После выполнения расчетов по каждому пункту задания приводятся расчетные данные и строятся требуемые по заданию графики.

6. Графики должны быть построены аккуратно, в крупном масштабе, с помощью чертежных инструментов или с использова-нием ПЭВМ.

7. В конце каждого пункта задания необходимо сделать выводы по результатам проведенных расчетов.

8. Домашнее задание должно быть выполнено и представлено на проверку преподавателю в указанные сроки.

 

 

1. Содержание домашнего контрольного задания.

 

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ ПО ТЕМЕ

«Двигатели постоянного тока с параллельным возбуждением»

 

 

Для двигателей постоянного тока с независимым возбуждением (см. табл. 1.1, 1.2.) выполнить следующие расчеты и построения:

1. Нарисовать электрическую схему включения двигателя постоянного тока (ДПТ) с параллельным возбуждением.

2. Рассчитать и построить на одном графике естественные механическую n(M) и электромеханическую n(I_Я) характеристики. Определить частоту вращения n_D при заданном моменте сопротивления M_D = M_Н٠t на валу двигателя.

3. Рассчитать и построить на одном графике естественную и искусственные характеристики n(M) при различных способах регулирования частоты вращения n двигателя постоянного тока. Определить для каждого случая частоту вращения n_D при заданном моменте сопротивления M_D = M_Н٠t на валу двигателя:

а) при регулировании изменением напряжения сети (U^/ = U٠q1);

б) при реостатном регулировании (R_{Я ДОБ} = R_Я٠q2);

в) при изменении потока возбуждения (Ф^/ = Ф∙q1).

4. Рассчитать и построить на одном графике естественную и искусственные характеристики n(M) при различных способах торможения ДПТ:

а) при генераторном торможении, начиная с режима

n_Т = n_Н٠h1 и M_Т = M_Н٠t.

б) при динамическом торможении, начиная с режима

n_Т = n_D и M_Т = M_Н٠t;

в) при торможении противовключением, начиная с режима:

n_Т = n_Н٠h2 и M_Т = M_Н٠t при реостатном торможении;

n_Т = n_D и M_Т = M_Н٠t при торможении с изменением

полярности напряжения на обмотке якоря.

5. Рассчитать и построить на одном графике естественную и семейство

реостатных пусковых характеристик n(M), обеспечивающих трехступенчатый пуск двигателя постоянного тока до выхода его в рабочий режим (при M_D = M_Н٠t).

6. Рассчитать и построить на одном графике рабочие характеристики двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

n, I_Я, M, P₁, кпд = f(P₂) при работе двигателя на естественной

характеристике n(M).

 

Таблица вариантов исходных данных.

 

Таблица 1.1.

Вар.	РН Вт	UН В	nН об/мин	КПД %	RЯ Ом	RДОП. П. Ом	RВОЗБ Ом	Данные из таб.1.2
				0,66	2,10	1,297		а
				0,675	7,74	5,17		б
				0,72	1,083	0,659		в
				0,725	4,38	2,62		г
				0,70	0,563	0,565	84,3	д
				0,71	2,48	2,13		е
				0,685	0,74	0,74		ж
				0,685	3,13	3,336		з
				0,74	0,378	0,378		и
				0,75	1,66	1,45		а
				0,71	0,346	0,224	54,5	б
				0,705	1,38	1,00		в
				0,765	0,185	0,148	54,5	г
				0,77	0,74	0,486		д
				0,76	0,269	0,22		е
				0,765	1,08	0,915		ж
				0,82	0,12	0,089		з
				0,825	0,518	0,323		и
				0,805	0,145	0.101	46,4	а
				0,80	0,59	0,43		б
				0,835	0,081	0,056	46,4	в
				0,845	0,326	0,208		г
				0,82	0,096	0,073	49,4	д
				0,825	0,385	0,364		е
				0,855	0,216	0,175	49,4	ж
				0,865	0.833	0,60		з
				0,825	0,084	0,056	49,2	и
				0,835	0,338	0,221		а
				0,86	0,038	0,025	49,2	б
				0,865	0,15	0,092		в
				0,835	0,065	0,04	34,0	г
				0,84	0,26	0,183		д
				0,865	0,025	0,018	34,7	е
				0,875	0,125	0,08		ж
				0,885	0,083	0,053	42,0	з

Таблица 1.2.

Вариант	а	б	в	г	д	е	ж	з	и
t	0,6	0,8	0,5	0,7	0,9	0,8	0,4	0,3	0,7
q1	0,8	0,85	0,7	0,75	0,9	0,85	0,6	0,55	0,8
q2	3,5			2,5
h1	1,3	1,25	1,2	1,15	1,1	1,05	1,5	1,4	1,35
h2	0,8	0,5	0,6	0,4	0,3	0,25	0,7	0,35	0,45

 

 

Расчет номинальных данных и построение