Краткие теоретические и практические сведения

Лабораторная работа № 11

ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА С НЕЗАВИСИМЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Цель работы

Ознакомиться с устройством машины, определить основные ха- рактеристики двигателя и их соответствие номинальным данным, при- обрести навыки по пуску и регулированию скорости двигателя посто- янного тока.

Краткие теоретические и практические сведения

Устройство двигателя постоянного тока не отличается от уст- ройства генератора постоянного тока, поскольку это одна и та же ма- шина, работающая в том или ином режиме. Как и генераторы, дви- гатели различаются по способу включения обмотки возбуждения и об- мотки якоря. В этой лабораторной работе испытывается двигатель па- раллельного возбуждения (шунтовой).

В двигательном режиме машины обмотка якоря питается от сети

током I _я. Сила взаимодействия тока с потоком возбуждения Ф создает электромагнитный момент:

М=С _м ·I _я ·Ф,                                                              (11.1)

где С _м  - конструктивная постоянная машины.

Под действием момента М якорь приходит во вращение. Провод- ники обмотки вращающегося якоря проходят попеременно под полю- сами индуктора разных полярностей. Электромагнитный момент при этом будет иметь постоянное направление лишь в том случае, если ток в проводниках обмотки якоря будет менять направление при каждой перемене полярности находящихся над ними полюсов, т.е. ток в обмот- ке якоря двигателя постоянного тока должен быть переменным. Преоб- разование постоянного тока I, поступающего из сети, в переменный ток в обмотке якоря осуществляется коллектором.

При пересечении магнитного потока возбуждения проводниками обмотки якоря в ней также индуктируется ЭДС, величина которой оп- ределяется формулой:

Е=C _Е ·n·Ф,                                                                (11.2)

где С _Е – конструктивная постоянная машины; n – скорость вращения якоря;

Ф – поток возбуждения.

Однако, в отличие от генератора, эта ЭДС направлена не согласно, а встречно напряжению, приложенному к якорю двигателя, и называет- ся, поэтому, противо-ЭДС.

Соответственно, уравнение равновесия (электрического) двигателя по закону Кирхгофа будет иметь вид

U – E=I_я·R_я или U=E+I_я·R_я,                                    (11.3)

В двигателе параллельного возбуждения цепь обмотки возбужде- ния ОВ подключена параллельно цепи якоря Я. Последовательно с ОВ в цепь возбуждения включается регулировочный реостат R_в, пред- назначенный для регулирования скорости вращения двигателя.

Схема двигателя постоянного тока независимого возбуждения:

Рис. 11.1.

В двигательном режиме последовательно с якорем включается пусковой реостат R _п, предназначенный для снижения тока в момент пуска двигателя. Цепь возбуждения в двигательном режиме подключа- ется таким образом, чтобы она всегда находилась под полным напряже- нием питающей сети U, независимо от того, введен пусковой реостат или выведен (рис. 11.1.). Пуск двигателя постоянного тока осу- ществляется подачей напряжения сети на якорь и обмотку возбужде- ния.

В момент пуска, когда якорь еще не начал вращаться (n=0) ЭДС якоря, как это следует из формулы, также равна нулю и ток в цепи яко- ря в момент пуска достигнет значения:

I_a= (U - E_a) ÷ R_a = U ÷ R_{a ,}                                                (11.4)

При весьма малом сопротивлении якоря (десятые и сотые доли ома) этот ток во много раз превысит номинальный ток двигателя, что недопустимо. Для ограничения пускового тока в цепь якоря двигателя постоянного тока включается пусковой реостат R _п (рис.1.), который при пуске двигателя должен быть полностью введен. Сопротивление этого реостата выбирается таким образом, чтобы величина пускового тока не превосходила номинального тока I_яп более чем в 1,5-2 раза.

I_яп= U÷ (R_я+R_п),                                                                (11.5)

Искусственное (с помощью пускового реостата) снижение пуско- вого тока приводит, как видно из формулы (1), к соответствующему снижению пускового момента. Чтобы, несмотря на это, сохранить дос- таточную величину пускового момента, двигатель необходимо пускать при максимальном потоке, для чего регулировочный реостат в цепи возбуждения в момент пуска должен быть полностью выведен. Полез- ный момент вращения на валу двигателя М _дв меньше электромагнит- ного момента М на величину момента М _O, обусловленного механиче- скими и магнитными потерями в якоре; величина этих потерь относи- тельно невелика, поэтому практически можно принимать М _дв =М. Мо- мент двигателя М _дв, преодолевая момент сопротивления M _с на валу, приводит двигатель во вращение. Далее при разгоне двигателя, т.е. по мере увеличения n, обусловленного неравенством моментов (М _дв >М C), и соответственного увеличения Е, ток якоря

I _я = (U - C _E ·n·Ф) ÷ (R _я + R _П),                                 (11.6)

постепенно уменьшается; поэтому реостат R _п постепенно выводится, и при установившемся режиме, когда М_дв=М _C пусковой реостат полно- стью выведен, ток якоря достигает значения, определяемого нагрузкой двигателя:

I_я = (U - C_E·n·Ф) ÷R_я,                                                        (11.7)

Момент сопротивления на валу двигателя M _C представляет собой момент сопротивления рабочей машины приводимой в движение дви- гателем. В условиях лаборатории он заменяется тормозным моментом с создаваемым навалу двигателя электромагнитным тормозом. При уве-

личении нагрузки, т.е. момента сопротивления на валу двигателя, воз- никает неравенство М _C >М _дв. Оно вызывает уменьшение скорости n и соответствующее увеличение тока I _Я (7) и электромагнитного момента М (1) до тех пор, пока не наступит равенство М _C =М _дв при пониженной скорости вращения. При уменьшении нагрузки на валу двигателя мож- но путем аналогичного рассуждения показать, что скорость вращения якоря увеличится, а ток в нем уменьшится.

Таким образом, всякое изменение нагрузки на валу двигателя вы- зывает в нем автоматически такие изменения тока якоря и момента вращения, при которых вновь достигается равенство М_дв=М_C,

Зависимости различных величин, характеризующие работу двига- теля, – скорость вращения n, ток якоря I _Я, потребляемая мощность Р ₁ момент вращения М, коэффициент полезного действия □, от мощности на его валу P ₂ при постоянном напряжении питающей сети U и посто- янном токе возбуждения – называются рабочими характеристиками двигателя (рис. 11.2).

M, n, I _a, P ₁, h

Р ₁

n

 

h                    M

I _a

P ном                                 P 2

Рис. 11.2.

Преобразуем уравнение (11.7), решив его относительно скорости вращения. Тогда получим:

n = (U - I _я ·R _я) ÷C _Е ·Ф,                                              (11.8)

Как видно из формулы (11.8), двигатель постоянного тока с парал- лельным возбуждением имеет широкие возможности регулирования скорости при различных нагрузках, так и различную скорость при по- стоянной нагрузке. Это достигается изменением тока возбуждения (или, иначе говоря, изменением потока). Постоянной скорости вра- щения n=const во всем диапазоне нагрузок двигателя от холостого хода (I_ях) до номинальной нагрузки (I_ян) соответствует регулировочная ха- рактеристика I_в= f (I_я) при n=const (рис. 11.3).

 

n _м

Рис.3 Регулировочная характеристика двигателя при n = const и M _C =var па- раллельного возбуждения.

I _b

Рис.4. Регулировочные характеристи- ки двигателя при М _C =const n=var по- следовательного возбуждения.

 

Различной скорости вращения (в определенных пределах) при по- стоянном моменте нагрузки М_Cна валу двигателя соответствует семей- ство регулировочных характеристик n=f(I_в), каждая из которых по- строена для своего постоянного момента сопротивления (нагрузки). Характеристику n=f(I_в) при М_С=0, т.е. при холостом ходе двигателя, иногда называет характеристикой холостого хода (рис. 11.4.).