Лабораторная работа №2

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА С ОСНОВАМИ ЭЛЕКТРОНИКИ

Лабораторная работа №2 по теме «Снятие регулировочной характеристики двигателя постоянного тока, построение графика»

Для учащихся машиностроительного отделения по специальности

Металлорежущие станки и инструменты»

БРЕСТ октябрь 2012

Составил: Литовчик Елена Борисовна, преподаватель электротехники УО «Брестский государственный политехнический колледж»

Комплексно- методическое обеспечение рассмотрено и одобрено на заседании цикловой комиссии машиностроительных дисциплин.

Протокол № _____от «___»____________2012 г.

Председатель_______________ / Омельянюк В.М./

Лабораторная работа №2

Тема: Снятие регулировочной характеристики двигателя постоянного тока, построение графика

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

Теория. Машины постоянного тока, как и все электрические машины, обратимы, т.е. они без существенных конструктивных изменений могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

В режиме двигателя машина постоянного тока преобразует электрическую энергию постоянного тока в механическую.

Принцип действия двигателя постоянного тока напоминает вращение рамки с током в магнитном поле. При включении двигателя в сеть постоянного тока в обеих обмотках 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 М_ВР.

М_ВР = с·Ф·I_Я, (1)

где с – постоянный коэффициент;

I_Я– ток якоря;

Ф – магнитный поток.

В проводниках вращающего якоря индуктируется ЭДС:

Е = к·n·Ф, (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 (3)

Это состояние называется уравнением электрического равновесия двигателя. Из (3) ток в цепи якоря равен:

(4)

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 (5)

Предположим, что нагрузка двигателя (тормозной момент М_ТОР) увеличилась. При этом скорость вращения двигателя несколько уменьшится, что приведет к уменьшению противо-ЭДС(2). В результате этого ток якоря увеличится согласно (4), а, следовательно, возрастет и вращающийся момент (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 (2) ЭДС якоря Е = к·n·Ф = 0. При этом согласно (4) пусковой ток якоря I_ЯП недопустимо велик, т.к. R_Я мало и определяется как:

. (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).

(7)

Такой запуск двигателя предохраняет его якорную обмотку от больших пусковых токов I_ЯПи 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 производиться только после полной остановки двигателя.

Регулирование скорости вращения

При совместном решении (2) и (3) определяется скорость вращения двигателя:

(8)

Из формулы (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.21)

n₀ = ƒ (I_В), при U = 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 (8) скорость двигателя определяется обратной зависимостью к магнитному потоку Ф:

(9)

При увеличении тока в обмотке возбуждения магнитный поток изменяется 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 (9) могут вызвать «разнос» двигателя (при I_В → 0, а следовательно Ф также стремится к 0, n → ∞).

Рис.21 Рис. 22 Рис.23

Внешняя характеристика (скоростная) (рис.22). 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). Согласно (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.23): 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 необходимо регулировать ток в обмотке возбуждения, чтобы поддерживать постоянную скорость вращения.

План работы

1. Ознакомиться с установкой, изучить схему работы (рис.24)

Рис.24

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 реостат, пустить в ход двигатель.

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

Характеристика снимается следующим образом. При холостом ходе (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 таблицу 3.

Таблица 3

Измерения

Вычисления

U, B

I_Я, A

I_В, A

n, об/мин

M, Н• м

I, A

P₁_, Вт

P₂_, Вт

1 2 3 4 5