Лабораторная работа 6. Исследование двигателя постоянного тока

1. Цель работы: Изучить особенности пуска, механическую характеристику и способы регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока со смешанным возбуждением.

Адание.

2.1. к самостоятельной работе:

- изучить особенности конструкции, схемы включения двигателей постоянного тока [10];

- изучить методику получения механических характеристик двига­теля постоянного тока [5,11,13];

- ознакомиться с особенностями пуска и регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока [3,5,11,13,14];

- вычертить принципиальные схемы для измерения сопротивлений цепи якоря и обмоток возбуждения (рис.6.4) и испытания двигателя (рис.6.2);

- используя рис. 6.2 и 6.3 составить монтажную схему;

- вычертить формы таблиц 6.1... 6.4;

- подготовить устные ответы на контрольные вопросы.

2.2. к работе в лаборатории:

- ознакомиться с лабораторной установкой;

- записать в таблицу 6.1. паспортные данные двигателя;

- измерить сопротивление цепи якоря и обмоток возбуждения. Данные записать в таблицу 6.1;

- собрать схему и провести исследование двигателя, данные запи­сать в таблицы 6.2, 6.3, 6.4;

- построить естественную механическую характеристику n=f(M) и скоростные характеристики n=f(I_B) и n=f(U);

- сделать выводы по результатам исследования.

 

Общие сведения.

Двигатели постоянного тока в отличие от двигателей переменного тока (прежде всего асинхронных) имеют большую кратность пускового момента и перегрузочную способность, обеспечивают плавное регули­рование частоты вращения рабочей машины. По этому они применя­ются для привода машин и механизмов с тяжелыми условиями пуска (например, в качестве стартеров в двигателях внутреннего сгорания), а также при необходимости регулирования частоты вращения в больших пределах (механизмы подачи станков, обкаточно-тормозные стенды, электрифицированные транспортные средства).

Конструктивно двигатель состоит из неподвижного узла (индуктора) и вращающегося узла (якоря). На магнитопроводе индук­тора расположены обмотки возбуждения. В двигателе смешанного воз­буждения их две: параллельная с выводами Ш 1 и Ш2 и последователь­ная с выводами С1 и С2 (рис.6.2). Сопротивление параллельной обмот­ки R_овш составляет в зависимости от мощности двигателя от несколь­ких десятков до сотен Ом. Она выполнена проводом малого сечения с большим числом витков. Последовательная обмотка имеет малое со­противление R_obc (обычно от нескольких Ом до долей Ома), т.к. со­стоит из небольшого числа витков провода большого сечения. Индук­тор служит для создания магнитного потока возбуждения при питании его обмоток постоянным током.

Обмотка якоря размещена в пазах магнитопровода и выведена на коллектор. С помощью щеток ее выводы Я I и Я 2 подключаются к ис­точнику постоянного тока. Сопротивление обмотки якоря R_Я невелико (Омы или доли Ома).

Вращающий момент М двигателя постоянного тока создается при взаимодействии тока якоря Iя с магнитным потоком возбуждения Ф:

М=К × Iя × Ф, (6.1)

где К - постоянный коэффициент, зависящий от конструкции дви­гателя.

При вращении якоря его обмотка пересекает магнитный поток возбуждения и в ней индуктируется ЭДС Е, пропорциональная частоте вращения n:

Е = С × n × Ф, (6.2)

где С - постоянный коэффициент, зависящий от конструкции дви­гателя.

Ток в цепи якоря:

I_Я=(U–Е)/(R_Я+R_ОВС)=(U–С×n ×Ф)/(R_Я+R_ОВС), (6.3)

Решая совместно выражения 6.1 и 6.3 относительно п, находят ана­литическое выражение механической характеристики двигателя n=F(М). Ее графическое изображение приведено на рисунке 6.1.

 

Рис. 6.1. Механическая характеристика двигателя постоянного то­ка смешанного возбуждения

 

Точка А соответствует работе двигателя вхолостую с частотой вращения n_о. С увеличением механической нагрузки частота вращения снижается, а вращающий момент растет, достигая в точке В номиналь­ного значения М_H. На участке ВС двигатель работает с перегрузкой. Ток Iя превышает номинальную величину, что приводит к быстрому нагреву обмоток якоря и ОВС, увеличивается искрение на коллекторе. Максимальный момент М_mах (точка С) ограничивается условиями ра­боты коллектора и механической прочностью двигателя.

Продолжая механическую характеристику до пересечения в точке Д' с осью вращающего момента мы получили бы значение пускового момента при прямом включении двигателя в сеть. ЭДС Е равна нулю и ток в цепи якоря в соответствии с формулой 6.3 резко возраста­ет.

Для снижения пускового тока последовательно в цепь якоря вклю­чают пусковой реостат Rx (рис. 6.2) с сопротивлением:

Rx = U_H / (1.3...2.5) ×I_Я.Н. - (R_Я - R_obc), (6.4)

 

где U_h - номинальное напряжение сети;

I_Я.Н. - номинальный ток якоря.

Снижение тока якоря до (1.3...2.5)×I_Я.Н. обеспечивает достаточный начальный пусковой момент Мп (точка Д). По мере разгона двигателя сопротивление Rx уменьшают до нуля, поддерживая приблизительно постоянную величину Мп (участок СД).

Реостат R_В в цепи параллельной обмотки возбуждения (рис. 6.2) позволяет регулировать величину магнитного потока Ф (формула 6.1). Перед пуском двигателя его полностью выводят для получения необхо­димого пускового момента при минимальном токе якоря.

Используя формулу 6.3, определим частоту вращения двигателя

n = (U - I_Я • (R_Я + R_obc + Rx)) / (С • Ф), (6.5)

в которой R_Я, R_obc и С являются постоянными величинами, а U, I_Я и Ф можно изменять. Отсюда вытекает три возможных способа регули­рования частоты вращения двигателя:

- изменением величины подводимого напряжения;

-изменением величины тока якоря с помощью регулировочного реостата Rx, который в отличие от пускового рассчитывается на про­должительный режим работы;

- изменением величины магнитного потока возбуждения Ф, кото­рый пропорционален току в обмотках ОВШ и ОВС. В параллельной обмотке его можно регулировать реостатом R_b. Сопротивление R_b принимают в зависимости от требуемых пределов регулирования час­тоты вращения R_В=(2...5) •R_obш.

В паспортной табличке двигателя указывается номинальная часто­та вращения, которая соответствует номинальной мощности на валу двигателя при номинальном напряжении сети и выведенных сопротив­лениях реостатов R_X и R_B.