Изучение двигателя постоянного тока

Цель работы: изучение характеристик двигателя постоянного тока и методик определения ее параметров

Краткие теоретические сведения. Двигатель постоянного тока (ДПТ) преобразуют электрическую энергию в механическую. Основными харак­теристиками ДПТ являются мощность, величина напряжения, ток якорной обмотки, частота вращения, коэффициент полезного дей­ствия, ток возбуждения, схемы включения обмоток возбуждения, механическая характеристика.

ДПТ состоит из неподвижного статора (станины) с явно выраженными главными полюсами (N и S, четное число), с намотанными на них обмотками воз­буждения (ОВ) для создания основного магнитного потока Ф, ротора (якоря), выполненного из ферромагнитного материала с расположенной на нем якорной обмоткой, коллекторно-щеточного механизма, добавочных полюсов для устранения для устранения реакции якоря. Основной магнитный поток Ф распростра­няется по магнитопроводу статора, пронизывает якорную обмотку и магнитопровод якоря и называется продольным.

По отношению к якорной обмотке ОВ включают параллельно, независимо, последовательно, смешанно. При смешанном (компаундном) включении магнитные потоки различных ОВ могут усиливать или ослаблять общий магнитный поток через якорную обмотку.

Магнитопровод якоря набран из пластин трансформаторной стали. В пазах магнитопровода уложена якорная обмотка. Якорная обмотка обычно двухслойная, замкнутая на себя с отводами, соединенными с пластинами коллектора. Часть обмотки между двумя отводами называется секцией.

Принцип работы ДПТ. При приложении напряжения к якорной обмотке в ней возникает ток Iя. Проводники с током взаимодействуют с магнитным потоком возбуждения Ф и под действием возникающего момента М якорь вращается.

Противоэдс якорной обмотки. При вращении якоря в магнитном поле в его обмотке возникает эдс Е, которая снимается с якоря при помощи коллекторно-щеточного механизма. При отсутствии нагрузки ток в ЯО близок к нулю, так как эдс параллельных ветвей(участков ЯО между ближайшими щетками) взаимно компенсируются.

Эдс якорной обмотки в двигательном режиме направлена встречно к питающему напряжению, называется противоэдс якорной обмотки и описывается уравнением:

Е=Се (Ф1 + Ф2) 19.1.

где Е- эдс якорной обмотки на выводах Я1, Я2 ГПТ. В ГПТ лабораторного стенда Е=200-250 В; -скорость вращения, 1/с. n= /30- частота вращения, об/мин. В лабораторном стенде n=1400-1500 об/мин;

Се- конструктивный коэффициент обмотки определяется по формуле:

Се = р N / (60 а) 19.2.

где N-число активных проводников обмотки якоря, р -число пар полюсов, а- число параллельных ветвей.;

Ф1-магнитный поток, Вб, создаваемый параллельной ОВ, не зависит от тока якоря. (Обмотка с выводами Ш1, Ш2);

Ф2- магнитный поток, создаваемый последовательной ОВ. Зависит от тока якоря. (Обмотка с выводами С1, С2).

Ф2= С ₃ Iя. 19.3.

Магнитные потоки Ф1и Ф2 суммируются с учетом знака.

Ток Iя определяется выражением: Iя=(U-Се Ф)/(Rя+Rдоб.я) 19.4.

где Е= Се Ф; Rдоб.я -добавочное сопротивление в якорной цепи; Rя –собственное сопротивление якорной обмотки.В номинальном режите Е составляет примерно 0.9 U. При пуске Е= Се Ф= 0. Поэтому, согласно 19.4, пусковой ток двигателя превовосходит номинальный тоа примерно на порядок и его уменьшают с помощью Rдоб.я примернр до 2 Iя _ном. На холостом ходу Е примерно равна U, ток якоря мал, на частоте вращения идеального холостого хода Iя равен нулю. На частоте вращения более частоты идеального холостого хода ток якоря изменяет свой знак и двигатель переходит в генераторный тормозной режим.

Вращающий момент якоря определяется выражением

М=См Iя Ф 19.5.

См -коэффициент.

Пуск двигателя производят при максимальном потоке возбуждения и токе якоря равном (2-3) Iя _ном во избежании сильного искрения.

Скорость вращения якоря определяется выражением:

=[U-Iя(Rя+Rдоб.я)]/CеФ 19.6.

Величину Ф можно изменять добавочным сопротивлением в цепи ОВ, напряжением U, Rдоб.я.

Двигатель с параллельной ОВ (шунтовый двигатель) представлен на рис.19.1.

Реакция якоря. В ДПТ при протекании тока в якорной обмотке возникает по­перечное магнитное поле, приводящее к размагничиванию одной части главных полюсов и насыщению другой части полюсов "реакция якоря". Реакция якоря приводит к сильному искрению в щетках и нежелательна. Для устранения реакции якоря применяют добавочные полюсы, на которых расположены обмот­ки, соединенные последовательно с якорной обмоткой и отводящие поперечное магнитное поле якоря на себя в обход главных плюсов.

Для устранения искрения можно повернуть на некоторый угол щетки.

Нагрев электродвигателя. В процессе работы из-за потерь в обмотках и потерь в магнитопроводе якоря на перемагничивание и вихревые токи, а также трения в механических узлах ДПТ нагревается. Потери энергии в обмотках (как и в трансформаторах) зависят от режима работы и называются переменными потерями. Потери в магнитопроводе (как и в трансформаторах), на трение не зависят от режима работы и называются постоянными потерями. Охлаждение обмоток происходит воздушным потоком, создаваемым вентилятором на валу якоря.

Кпд ДПТ зависит от режима работы и достигает максимума при равенстве потерь в магнитопроводе и якорной обмотке.

Коллекторно-щеточный механизм выполняет также функцию меха­нического преобразователя переменного тока секций якорной обмотки в напряжение постоянного тока в подводящих проводах.

Коммутация. Существенно на работе ДПТ сказывается правильная коммута­ция в коллекторно-щеточном механизме. Наилучшей считается прямо­линейная коммутация (с одинаковой плотностью тока в щетках) или немного ускоренная. Замедленная коммутация нежелательна, так как приводит к усиленному искрению.

Потенциальная кривая. Эдс витка е=-dФ/dt. Эдс витка - величина векторная и зависит от положения витка относительно магнитного потока Ф. Эдс секции складывается из векторов эдс витков. Эдс ветвей (эдс между щетками) Е складывается из векторов эдс секций. Соответственно напряжение между коллекторными пластинами зависит от их углового положения и определяется в соответствии с п о т е н ц и а л ь н о й к р и в о й.

Установка щеток. Щетки устанавливают в точках наименьшей разности потенциалов между соседними коллекторными пластинами. Иначе возможно возникновение дугового разряда с распространением его по поверхности статора при средней разности напряжения между коллекторными пластинами 15-18 В.

 

ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Изучите конструкцию машины постоянного тока. Найдите ее основные узлы: станину, якорь, коллекторно-щеточный механизм, обмотки возбуждения, вентилятор системы охлаждения.

2. Соберите схему для исследования двигателя с параллельным возбуждением согласно рис. 19.1. Рассчитайте значения сопротивления Rдоб.я исходя из номинального тока якоря и кратности пускового тока К= Iя _пуск/Iя _ном =2.

 

Таблица 19.1. Данные для пуска двигателя

Iя ном= А Rя= Ом Rдоб.я.= Ом Iпуск= А

 

Рис.19.1. Схема ДПТ с параллельным возбуждением.

Рис.19.2. Схема ДПТ последовательного возбуждения.

Рис.19.3. Схема ДПТ со смешанным возбуждением.

3. Произведите пуск двигателя при номинальном напряжении якорной обмотки и выбранном сопротивлении пускового реостата.

Таблица 19.2. Холостой ход.

Iя хх= А n хх= об/мин

4. Исследуйте зависимость частоты вращения от тока возбуждения I в при постоянном напряжении якорной обмотки. Данные занесите в таблицу 19.3.

 

Таблица 19.3 Регулировка частоты вращения током ОВ.

n, об/мин.

I в, А

5. Исследуйте зависимость частоты вращения от напряжения на якорной обмотке при постоянном токе возбуждения.

Таблица 19.4 Регулировка частоты вращения напряжением якоря.

n, об/мин.

U, В

6. Соберите схему двигателя с последовательной ОВ согласно ртс.19.2. Снимите зависимость частоты вращения от напряжения питания.

 

Таблица 19.5. Регулировка частоты вращения напряжением якоря.

n, об/мин

U, В

 

 

8. Соберите схему для исследования двигателя со смешанным возбуждением при различных способах включения сериесной обмотки.

Таблица 19.6

I, А

U, В

 

Выводы

 

Контрольные вопросы

1. Начертите схему двигателя с независимым возбуждением?

2. Начертите схему двигателя со смешанным возбуждением?

3. Начертите схему двигателя с параллельным возбуждением?

4. Начертите схему двигателя со последовательным возбуждением?

5. Каким способом можно регулировать частоту вращения двигателя?

6. Какое назначение имеет пусковой реостат?

7. Что такое эдс якорной обмотки и как она возникает?

8. Почему в Ш1-Ш2 нельзя включать предохранители?

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 20