Основні теоретичні положення

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2

ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОДВИГУНА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ ПАРАЛЕЛЬНОГО ЗБУДЖЕННЯ

МЕТА РОБОТИ: Ознайомитись з конструкцією електродвигуна постійного струму. Вивчити способи пуску, зміни напрямку обертання та регулювання швидкості електродвигуна постійного струму. Випробувати електродвигун методом навантажувального генератора. Побудувати механічну характеристику та робочі криві електродвигуна, а також визначити номінальні значення величин, що характеризують його роботу.

ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ПОЛОЖЕННЯ

Електродвигун постійного струму являє собою електричну машину, яка перетворює електричну енергію постійного струму, що підводиться від мережі, в механічну енергію, яка передається на вал робочого механізму. В залежності від способу приєднання обмотки збудження до обмотки якоря електродвигуни поділяються на двигуни паралельного, послідовного та змішаного збудження, причому останнє може бути з узгодженим або зустрічним включенням обмотки збудження.

При використанні машини постійного струму паралельного збудження в режимі двигуна безпосередній запуск від мережі при номінальній напрузі як правило не може бути здійснений внаслідок великого пускового струму

І_п=U/R_a, (2.1)

де R_a – опір кола якоря, яке вимірюється долями ома.

Пусковий струм може перевищувати номінальний струм машини в 10-50 раз, що являє небезпеку для обмотки якоря, колектора та щіток. З метою зменшення величини пускового струму в коло якоря на період пуску вводять додатковий регулюючий резістор R_д, який називають пусковим реостатом. Наявність R_д веде до зменшення струму у колі якоря, який в момент увімкнення двигуна рівний

I_n=U/(R_a+R_д) (2.2)

Як правило, R_д підбирають з міркувань, щоб пусковий струм був в межах (2÷2,5)І_н_ом, де І_н_ом - номінальний струм електродвигуна.

Електродвигуни постійного струму невеликої потужності (порядка декількох одиниць кВт) можна вмикати безпосередньо до мережі за схемою безреостатного пуску. Пуск таких двигунів супроводжується кидком струму до І_n=(6÷8) І_ном, а деколи і більше. Обертовий момент, який розвиває електродвигун, визначається таким виразом

М = С_м×Ф×І_a (2.3)

Для того щоб отримати найбільший момент під час пуску двигуна, необхідно забезпечити максимальний магнітний потік Ф, що досягається повним виведенням регулювального реостата RR1 (рис. 2.6) у колі обмотки збудження LM двигуна М1.

Обертова обмотка якоря перетинає нерухомі магнітні силові лінії полюсів машини і в ній наводиться електрорушійна сила (ЕРС), яка дорівнює

Е=С_e× Ф×n. (2.4)

Ця ЕРС спрямована проти струму І_a, який тече в обмотці якоря двигуна М1.

Коефіцієнти С_м та С_e, які входять у вирази (2.3) та (2.4), залежать від конструктивних елементів машин. Наведена ЕРС (Е) по мірі збільшення швидкості обертання викликає зменшення струму в якорі, внаслідок чого обертовий момент електродвигуна почне зменшуватись (див. 2.5 та 2.6)

. (2.5)

Для того щоб запобігти зменшенню момента, а також збільшення часу пускового періоду, необхідно під час розгону електродвигуна поступово зменшувати опір пускового реостату RR2= R_д (рис.2.6) і до кінця пуску звести його до нульового значення. Таким чином, при роботі, яка відбувається при виведеному пусковому реостаті (RR2=R_д=0) струм в колі якоря визначається співвідношенням

І_a= . (2.6)

і різниця між наведеною ЕРС Е та підведеною напругою U буде незначна. Якщо при пуску двигун почав обертатись в протилежний бік, його необхідно реверсувати, для чого слід змінити напрямок струму в обмотці якоря або збудження. При цьому одна з величин виразу (2.3) змінює свій знак, і обертовий момент почне діяти в другий бік, в результаті якір змінить напрямок обертання на протилежний.

Наявність додаткових полюсів в електродвигуні забезпечує хорошу комутацію без іскроутворення на колекторі та відсутність зміщення фізичної нейтралі під час зміни навантаження на валу, що дозволяє закріпити щітки на геометричній нейтралі машини.

Визначення положення геометричної нейтралі засновано на тому, що в електродвигунах з додатковими полюсами зсув щіток з геометричної нейтралі проти напрямку обертання якоря приводить внаслідок послаблення результуючого магнітного поля до збільшення швидкості, а при зсуві щіток в напрямку обертання внаслідок намагнічування до зменшення швидкості обертання якоря.

Таким чином, якщо виявиться, що при різних напрямках обертання якоря електродвигуна та однаковому його навантаженні на валу величини швидкостей будуть різні, то щітки стоять не на геометричній нейтралі, і їх необхідно зміщувати доти, поки не вийде однакове значення швидкостей в обох напрямках обертання.

Швидкість обертання якоря електродвигуна паралельного збудження при наявності в колі якоря додаткового опору R_д визначається співвідношенням

n = (2.7)

де U - напруга на затискачах якоря;

Ф - величина магнітного пoтоку машини.

Залежність швидкості обертання електродвигуна від струму якоря І_a у відповідності з рівнянням (2.7) може бути представлена пучком прямих (рис.2.1), які являють собою швидкісні характеристики.

Ці прямі виходять із однієї точки, розміщеної на вісі ординат, яка являє собою швидкість обертання ідеального неробочого ходу.

Швидкість обертання при ідеальному неробочому ході можна легко визначити за номінальними даними електродвигуна.

n_о=n_ном× , (2.8)

де U_ном, І_ном, n_ном - відповідно паспортні значення напруги, струму та швидкості обертання електродвигуна.

Рисунок 2.1 - Швидкісні характеристики електродвигуна постійного струму паралельного збудження

Швидкість обертання ідеального неробочого ходу n_о не слід путати зі швидкістю обертання n_х при неробочому ході електродвигуна.

При неробочому ході струм якоря І_a≠0, так як електродвигун розвиває невеликий момент, перемагаючий втрати обертання.

При ідеальному неробочому ході М=0, що може бути досягнуто в тому випадку, якщо до вала якоря електродвигуна прикладений зовнішній момент, який покриває втрати обертання.

Як видно з рис.2.1, найбільшою жорсткістю відрізняється характеристика, яка отримана при R_д=0, а введення додаткового опору R_д в коло якоря пом’якшує її і може при достатньо великому значені R_д зробити роботу електродвигуна нестійкою, так як зміни навантаження на валу будуть супроводжуватись значною зміною швидкості обертання.

Регулювання швидкості обертання цим методом неекономічне внаслідок великих теплових втрат на опорі.

З співвідношення (2.7) витікає, що регулювати швидкість двигуна постійного струму можна також за рахунок величини напруги U, яка підводиться до якірної обмотки, або величини магнітного потоку машини Ф.

Зміни напруги U, яка підводиться до якоря, можна досягнути у випадку живлення його від окремого генератора незалежного збудження, а зміни величини магнітного потоку Ф при паралельному збудженні двигуна досягається введенням послідовно з обмоткою збудження регулювального реостата, розрахованого на струм збудження, який складає 1-5% від номінального струму машини.

Перший спосіб потребує громіздких установок, необхідних для плавного регулювання величини напруги, а другий - дає плавне та економічне регулювання швидкості обертання.

Поріг підвищення швидкості обертання обмежений умовами комутації, механічною міцністю та зростанням струму якоря при сталому моменті опору на валу машини.

В каталогах сучасних машин постійного струму для кожного електродвигуна, окрім його номінальної швидкості обертання n_н_ом приводиться ще і найбільша n_max, котра при зменшенні або скидані навантаження не повинна збільшуватись більше ніж на 20%.

Для характеристики регулювальних властивостей електродвигуна будують криві, які показують зміну швидкості обертання від величини напруги U на затискачах якоря при сталому струмі збудження І_з, або при зміні струму збудження І_з та сталій напрузі U на затискачах якоря при неробочому ході машини, тобто n=ƒ(U) при І₃=соnst і n=ƒ(І₃) при U=соnst, які знімають експериментальним шляхом і вони мають вигляд, зображений на рис.2.2 та рис.2.3.

Номінальна зміна швидкості обертання якоря при переході від режиму неробочого ходу (n=n_x) до номінального навантаження (n_ном= n) невелика і, як правило, не перевищує (2÷10%)n_H в залежності від потужності та типу машини

∆n= , (2.9)

При роботі машин постійного струму в режимі електродвигуна мають місце, магнітні, електричні та додаткові втрати.

Коефіцієнт корисної дії двигуна

η=P₂/P₁, (2.10)

де P₁ та P₂ – потужність, яка споживається і віддається двигуном.

Потужність P₁, яка підводиться до електродвигуна, визначається за формулою

Р₁=U×(I_a+I_з), (2.11)

де U -напруга мережі, яка живить двигун;

І_a та І_з -струми, які протікають відповідно в колі якоря та обмотці збудження.

Рисунок 2.2.- Залежність швидкості обертання якоря електродвигуна постійного струму від величини напруги на його затискачах

Рисунок 2.3 - Зміна швидкості обертання якоря електродвигуна постійного струму від величини його струму

Потужність P₂, яка віддається електродвигуном на вал, визначається методом навантажувального генератора, з’єднаного з випробовуваним електродвигуном за допомогою муфти.

Потужність, яку віддає навантажувальний генератор рівна

Р_г=U_г×І_г, (2.12)

де U_г та І_г - відповідно напруга та струм навантажувального генератора постійного струму.

ККД генератора

η_г = , (2.13)

Вираз (2.13) справедливий у випадку однакових за потужностями з’єднаних машин.

Користуючись виразом (2.13), будують залежність η =f(Р_г). Виходячи з цієї залежності, знаходять потужність, яку віддає електродвигун, який випробовується

Р₂=Р_г/ η_г, (2.14)

де η_г - значення ККД навантажувального генератора, яке відповідає певному режиму роботи.

Момент, який розвиває електродвигун, визначається зі співвідношення

М = , (2.15)

де n₂ — швидкість обертання якоря в об/хв.

Робочі властивості електродвигуна постійного струму паралельного збудження характеризуються його механічною характеристикою n=ƒ(М) (рис.2.4), а також робочими кривими n=ƒ(Р₂), М=ƒ(Р₂), І=ƒ(Р₂), η=ƒ(Р₂), Р₁=ƒ(Р₂), (рис.2.5), які знімаються при U =соnst та І_з =соnst.