Краткие теоретические сведения

Лабораторная работа № 12

МИКРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

1. Цель работы: Ознакомиться с устройством, принципом действия и пуском двигателей постоянного тока. Снять основные характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения.

Описание лабораторной установки

Исследование микродвигателя проводится на универсальном лабо- раторном стенде ЭВ-4. Описание стенда дано в лабораторной работе № 6 и № 9.

Краткие теоретические сведения

В режиме двигателя машина постоянного тока преобразует элек- трическую энергию постоянного тока в механическую. Принцип дейст- вия двигателя постоянного тока напоминает вращение рамки с током в магнитном поле. Схема двигателя параллельного возбуждения:

R _в

ОВ I _в

Рис. 12.1.

При включении двигателя в сеть постоянного тока в обеих обмот- ках возникают токи. При этом в обмотке возбуждения ток возбуждения I_В создает магнитное поле индуктора. Взаимодействие тока якоря с магнитным полем индуктора создает вращающий момент двигателя МВР.

М_ВР = с·Ф·I_Я, (12.1)

где с – постоянный коэффициент; I_Я – ток якоря;

Ф – магнитный поток.

В проводниках вращающего якоря индуктируется ЭДС:

Е = к·n·Ф, (12.2)

где n – скорость вращения якоря.

Эта ЭДС (противо-ЭДС) направлена противоположно напряжению сети, которая уравновешивается противо-ЭДС якоря и падением напряжения на его внутреннем сопротивлении

U = E + I_Я·R_Я, (12.3)

Это состояние называется уравнением электрического равновесия двигателя. Из (12.3) ток в цепи якоря равен:

I = ^U–E, (12.4)

RЯ

Приведенное уравнение дает возможность объяснить принцип саморегулирования электрических двигателей. При работе двигателя в установившемся режиме момент вращения М_ВР равен тормозному моменту М_ТОР.

М_ВР = М_ТОР, (12.5)

Предположим, что нагрузка двигателя (тормозной момент М_ТОР) увеличилась. При этом скорость вращения двигателя несколько уменьшится, что приведет к уменьшению противо-ЭДС (12.2). В результате этого ток якоря увеличится согласно (12.4), а, следовательно, возрастет и вращающийся момент (12.1). Это увеличение момента будет происходить до тех пор, пока снова не наступит равновесие моментов: М_ТОР

= М_ВР при несколько меньшей скорости. В случае уменьшения нагрузки изменение режима двигателя будет происходить в обратном направлении, и равенство моментов наступит при несколько большей скорости. Роль регулятора, устанавливающего соответствие между полезной механической мощностью и потребляемой электрической мощностью, выполняет противо-ЭДС (Е).

Пуск двигателя в ход.

При пуске двигателя якорь в первый момент неподвижен (n = 0) и учитывая (12.2) ЭДС якоря Е = к·n·Ф = 0. При этом согласно (12.4) пусковой ток якоря I_ЯП недопустимо велик, т.к. R_Я мало и определяется как:

I_ЯП = ^U, (12.6)

Поэтому для ограничения пускового тока последовательно в цепь

якоря вводится сопротивление пускового реостата R_П, который полностью введен перед запуском двигателя и выводится после разгона двигателя по мере возрастания противо- ЭДС (Е):

ЯП

I = ^U RЯ+ RП

Такой запуск двигателя предохраняет его якорную обмотку от

больших пусковых токов I_ЯП и позволяет получить в этом режиме максимальный магнитный поток.

Реверсирование двигателя.

Изменение направления вращения двигателя может быть достигнуто изменением тока или в обмотке якоря, или в обмотке возбуждения, т.к, при этом меняется знак вращающего момента. Одновременное

изменение направления тока в обоих обмотках направление вращения двигателя не изменяет. Переключение концов обмоток должно произ- водиться только после полной остановки двигателя.

Регулирование скорости вращения.

При совместном решении (12.2) и (12.3) определяется скорость вращения двигателя:

n = ^U– ^IЯ ^· ^RЯ, (12.8)

к ·Ф

Из формулы (12.8) видно, что регулировать скорость вращения

двигателя постоянного тока можно изменением напряжения сети, магнитного потока возбуждения и сопротивления цепи якоря. Наиболее распространенный способ регулирования скорости вращения двигателя

- изменение магнитного потока посредством регулировочного реостата в цепи возбуждения.

Уменьшение тока возбуждения ослабляет магнитный поток и увеличивает скорость вращения электродвигателя.

Этот способ экономичен, т.к. ток возбуждения (в двигателях параллельного возбуждения) составляет 3-5% от I_Н якоря, и тепловые потери в регулировочном реостате весьма малы.

Работа двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением оценивается следующими основными характеристиками:

Характеристика холостого хода: (рис.12.2) n₀ = ƒ (I_В), приU = U_Н = const и I_Я = I_0,

где n₀ - скорость вращения на холостом ходу (без нагрузки), I₀- ток холостого хода составляющий 5-10% I_Н.

Учитывая, что R_Я мало, то из (12.8) скорость двигателя определяется обратной зависимостью к магнитному потоку Ф:

n = ^U, (12.9)

к · Ф

При увеличении тока в обмотке возбуждения магнитный поток из-

меняется по кривой намагничивания Ф = ƒ(I_В), поэтому зависимость между скоростью вращения двигателя n и током возбуждения I_В имеет почти гиперболический характер. При малых значениях тока возбуждения обороты меняются почти обратно пропорционально. При больших токах возбуждения начинает сказываться магнитное насыщение стали полюсов, и кривая становится более пологой и идет почти параллельно оси абсцисс. Резкое изменение – уменьшение тока возбуждения, а также случайный обрыв цепи возбуждения согласно (12.9) могут вы- звать «разнос» двигателя (при I_В → 0, а следовательно Ф также стре- мится к 0, n → ∞).

Рис. 12.2. Рис. 12.3. Рис. 12.4.

Внешняя характеристика (скоростная) (рис. 12.3). Это зависимость скорости вращения ротора от тока в якоре при различных механических нагрузках, при неизменном напряжении и токе возбуждения:

n = ƒ (I_Н), при U = U_Н = const, I = const.

К валу двигателя приложена нагрузка (тормозной момент). Со- гласно (8) при постоянных значениях тока возбуждения уменьшение скорости вращения n является следствием падения напряжения в цепи якоря – I_Я·R_Я и реакции якоря. При увеличении нагрузки скорость вращения уменьшается на незначительную величину, порядка 3-8%. Такая скоростная характеристика называется жесткой.

Регулировочная характеристика (рис. 12.4): I_В = ƒ(I_Я) при U = U_Н, n = const. Из анализа внешней характеристики видно, что скорость вращения падает с ростом нагрузки. Регулировочная характеристика дает возможность судить о том, каким образом, в каких пределах не- обходимо регулировать ток в обмотке возбуждения, чтобы поддержи- вать постоянную скорость вращения.

План работы

4.1. Ознакомиться с установкой, изучить схему работы.

4.2. Получить у преподавателя разрешение на пуск двигателя. Для пуска двигателя необходимо убедиться, что пусковой реостат R_П в цепи якоря должен быть полностью введен, а регулировочный реостат R_Р в цепи возбуждения полностью выведен.

Включить рубильник питания и, постепенно выводя пусковой рео- стат, пустить в ход двигатель.

4.3. Снять характеристику холостого хода: n = ƒ(I_В). Характеристика снимается следующим образом: постепенно вво-

дится реостат в цепь возбуждения с таким расчетом, чтобы скорость двигателя не превысила номинальную. Снять показания (5-6 точек). Обороты вала двигателя измерить тахометром. Полученные данные записать в табл. 12.1.

Таблица 12.1

№ п/п	I_В, (А)	n, (об/мин)

По данным опыта построить характеристику холостого хода n = ƒ(I_В).

4.4. Снять внешнюю характеристику двигателя.

Внешняя характеристика снимается следующим образом:

- с помощью регулировочного реостата устанавливается постоян- ный ток возбуждения в пределах I_В = 300 - 420мА (по указанию препо- давателя). Затем постепенно увеличивают нагрузку на валу двигателя до номинального значения. При этом снимаются показания ампермет- ра, измеряющего ток якоря, и измеряются обороты вала двигателя. Ток в обмотке возбуждения поддерживается постоянным в течение всего опыта нагрузки. Полученные данные (5-6 точек) записать в табл.12.2.

Таблица 12.2

№ п/п	I_Н, (А)	n, (об/мин)	Примечание
			I_В = const

По данным опыта построить внешнюю характеристику.

4.5. Снять регулировочную характеристику: I_В = ƒ(I_Я), при U = U_Н, n = const.

Характеристика снимается следующим образом. При холостом хо- де (или небольшой нагрузке) устанавливают по указанию преподавателя номинальную скорость вращения. Затем постепенно увеличивают нагрузку на валу двигателя и поддерживают установленную скорость вращения постоянной с помощью реостата Rрег, в цепи возбуждения. Полученные данные (5-6 отсчетов) вносят в табл12.3.

Таблица 12.3