- Томский Государственный Архитектурно

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Томский государственный архитектурно-строительный университет»
ЭЛЕКТРОПРИВОД.
ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Методические указания
к лабораторным работам №№ 1, 2, 3
Составители: Э.С. Астапенко
Т.С. Шелехова
Томск 2012
Электропривод. Двигатели постоянного тока : методические указания к лабораторным работам №№ 1, 2, 3 / Сост. Э.С.
Астапенко, Т.С. Шелехова. – Томск: Изд-во Том. гос. архит.строит. ун-та, 2012. – 34 с.
Рецензент доцент Ю.А. Орлов
Редактор Е.Ю. Глотова
Методические указания к лабораторной работе по дисциплине
СД.Ф.4 «Электрооборудование в строительстве» для студентов специальности 270113 «Механизация и автоматизация строительства» и
дисциплинам С3.Б9; Б3.В5 и Б3.Б7 «Электротехника и электроника»,
для студентов специальности 190205 «Подъемно-транспортные,
строительные, дорожные машины и оборудование» и специальности
150405 «Машины и оборудование лесного комплекса» всех форм обучения, а также подготовки бакалавров соответствующих профилей.
Печатаются по решению методического семинара кафедры
электротехники и автоматики № 7 от 10.02.11 г.
Утверждены и введены в действие проректором по учебной
работе В.В. Дзюбо
с 01.01.13
до 01.01.18
Оригинал макет подготовлен авторами.
Подписано в печать 30.11.12.
Формат 60×84. Бумага офсет. Гарнитура Таймс.
Уч.-изд. л. 1,79 . Тираж 70 экз. Заказ № 522.
Изд-во ТГАСУ, 644003, г. Томск, пл. Соляная, 2.
Отпечатано с оригинал-макета в ООП ТГАСУ.
634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15.
2
ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
ВВЕДЕНИЕ
Целью лабораторных работ является изучение характеристик машин постоянного тока в режиме двигателя, изучение механических характеристик двигателя постоянного тока независимого или параллельного возбуждения. Изучение принципов
регулирования частоты вращения таких двигателей в системе
«генератор-двигатель».
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Машины постоянного тока (МПТ) по своему назначению
делятся на двигатели постоянного тока (ДПТ), преобразующие
электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию, и генераторы постоянного тока, преобразующие механическую энергию в электрическую.
Основными частями МПТ (рис. 1) являются неподвижный статор (станина) и вращающийся якорь (ротор).
Статор изготавливают в виде полого цилиндра из литой
электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью. Статор служит для крепления к нему отдельных деталей
машины: главных и добавочных полюсов, переднего и заднего
подшипниковых щитов, щеточного устройства, а также для защиты узлов машины от механических повреждений. Статор является также частью магнитопровода, по которой замыкается
основной магнитный поток, создаваемый главными полюсами.
Главный полюс состоит из стального сердечника с полюсным наконечником и катушек возбуждения. Количество
главных полюсов всегда четное. Катушки возбуждения всех
главных полюсов соединяются между собой таким образом,
чтобы полярности северных полюсов N и южных полюсов S че3
Рис.1. Конструкция машины постоянного тока
редовались. Совокупность всех катушек возбуждения образует
обмотку возбуждения. Назначение главных полюсов – создание
основного магнитного потока.
4
Якорь состоит из сердечника с обмоткой и коллектора,
которые насажены на вал. Сердечник набирают из изолированных листов электротехнической стали, на наружной поверхности которых имеются пазы для укладки в них проводов обмотки
якоря. Обмотка якоря изолируется от пазов и крепится в них
специальными клиньями или бандажом. Цилиндрический коллектор состоит из клиновидных медных пластин, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками. К выступам
коллекторных пластин, называемых «петушками», припаиваются проводники обмотки якоря.
К поверхности коллектора прилегают угольные или графитовые неподвижные щетки, через которые осуществляется
электрический скользящий контакт между вращающимся якорем и проводами внешней сети.
В режиме генератора коллектор служит для преобразования переменной эдс в проводниках обмотки якоря в постоянную
эдс на щетках, т. е. является механическим выпрямителем. В режиме двигателя коллектор преобразует постоянный ток, подводимый из сети к щеткам двигателя, в переменный ток в проводниках обмотки якоря, т. е. является механическим инвертором.
Принцип действия генератора основан на использовании закона электромагнитной индукции. При вращении обмотки
якоря в магнитном поле в ней наводится эдс:
ЕЯ = сЕФ·n ,
(1)
где Ф – магнитный поток одного полюса, Вб; n – частота вращения якоря, об/мин; сЕ = pN/α·60 – конструктивный коэффициент,
величина постоянная для каждой определенной электрической
машины. Он зависит от числа полюсов p, числа параллельных
ветвей обмотки якоря 2α, числа активных проводников обмотки
якоря N.
При подключении нагрузки в цепи якорной обмотки генератора протекает ток IЯ. Взаимодействие этого тока и магнитного
поля вызывает действие на проводники обмотки электромагнит5
ных сил, которые создают электромагнитный момент, направленный встречно внешнему моменту, создаваемому приводным
двигателем, т. е. являющийся тормозным. Выражение для электромагнитного момента имеет вид:
М = сМФ·IЯ,
(2)
где сМ = pN/2πα – конструктивный коэффициент электрической
машины, величина постоянная.
Видно, что электромагнитный момент МПТ пропорционален току якоря и магнитному потоку.
Якорная цепь МПТ обладает омическим сопротивлением,
которое называется сопротивлением якоря RЯ:
RЯ = RОЯ + RДП + RКО + RЩ,
где RОЯ – сопротивление обмоток якоря; RДП – сопротивление
обмоток добавочных полюсов; RКО – сопротивление компенсационных обмоток (если таковые есть); RЩ – сопротивление щеточного контакта.
При протекании тока на этом сопротивлении создается
падение напряжения. Для цепи обмотки якоря по второму закону Кирхгофа получаем уравнение, называемое уравнением
напряжения генератора:
U + RЯIЯ = EЯ, или U = EЯ – RЯIЯ,
(3)
т. е. напряжение U на зажимах генератора меньше эдс генератора EЯ на величину падения напряжения в якоре RЯIЯ.
Принцип действия двигателя. При подключении якорной обмотки к источнику постоянного тока U в ней будет протекать ток IЯ. Как и в генераторе, на проводники с током, находящиеся в магнитном поле, будет действовать электромагнитный
момент М, величина которого определяется по выражения (2).
Под действием этого момента якорь начнет вращаться со скоростью n, т. е. момент в этом случае вращающий. При вращении
якоря в магнитном поле в проводниках его обмотки индуцируется эдс, величина которой определяется по выражению (1), а
направлена она противоположно току в якоре. Поэтому эдс якоря двигателя называется противо-эдс.
6
Для цепи обмотки якоря двигателя по второму закону
Кирхгофа получаем уравнение напряжения двигателя:
(4)
U = EЯ + RЯIЯ.
Это уравнение показывает, что приложенное к якорю напряжение уравновешивается противо-эдс якоря и падением напряжения в якорной цепи.
Из рассмотрения принципа действия генератора и двигателя следует, что МПТ являются обратимой машиной, т. е. она
может работать как генератор, если к ее валу подводится механический вращающий момент, и как двигатель, если к ее обмоткам подводится электрическая энергия.
Способы возбуждения МПТ. По способу создания магнитного поля различают МПТ с возбуждением от постоянных
магнитов (магнитоэлектрическое) и электромагнитным возбуждением, где магнитный поток создается с помощью обмоток
возбуждения. В последнем случае в МПТ имеется две электрические цепи: цепь обмотки возбуждения и цепь обмотки якоря.
В зависимости от того, как подключена обмотка возбуждения по
отношению к обмотке якоря, различают четыре типа МПТ:
1) машины независимого возбуждения (рис. 2, а), в которых обмотка возбуждения ОВН (Ш1, Ш2) и обмотка якоря (Я1,
Я2) подключаются независимо друг от друга к различным источникам;
2) машины параллельного (шунтового) возбуждения,
(рис. 2, б), в которых обмотка возбуждения ОВШ подсоединяется к щеткам и получает питание от того же источника, что и
якорь;
3) машины последовательного (сериесного) возбуждения
(рис. 2, в), в которых обмотка возбуждения ОВС (С1, С2) включается последовательно с обмоткой якоря;
4) машины смешанного (компаундного) возбуждения
(рис. 2, г), в которых на каждом полюсном сердечнике имеется
две обмотки – шунтовая ОВШ и сериесная ОВС. Шунтовая об7
мотка возбуждения соединяется параллельно с якорной обмоткой, а сериесная – последовательно с ней.
Рис. 2. Схемы возбуждения машин постоянного тока:
а – независимого возбуждения;
б – параллельного возбуждения;
в – последовательного возбуждения;
г – смешанного возбуждения
8
Статические характеристики ДПТ
независимого возбуждения
Двигатель независимого возбуждения является наилучшим среди ДПТ для привода механизмов, требующих почти
постоянной частоты вращения и в то же время регулирования
скорости.
Выведем уравнения для статических характеристик двигателя, используя полученные ранее формулы (1), (2) и (4). Подставляя выражение (1) в (4), получаем выражение для электромеханической (скоростной) характеристики двигателя n = f(I):
U
R
n=
− IЯ Я .
(5)
cE Ф
сЕ Ф
Первый член в этой формуле представляет собой частоту
вращения n0 при идеальном холостом ходе двигателя, когда момент нагрузки М = 0, следовательно, и IЯ = 0:
U
n0 =
.
(6)
cЕ Ф
В реальном режиме холостого хода IЯ ≠ 0, т. к. двигатель
должен преодолевать небольшой момент сопротивления сил
трения в подшипниках и вентиляторе.
Второй член в формуле (5), это уменьшение частоты
вращения ∆n из-за увеличения падения напряжения в якорной
цепи при возрастании нагрузки:
R
∆n = I Я Я .
(7)
сE Ф
В итоге электромеханическую характеристику ДПТ независимого возбуждения, у которого Ф = const, можно представить
как
n = n0 – ∆n.
Это уравнение прямой линии (рис. 3). Ее характерными
точками являются точка А холостого хода, в которой n = n0, а IЯ =
0, и точка В пуска двигателя, где n = 0, а ток якоря равен
пусковому току двигателя I = IЯ.П.
9
Формула для механической характеристики n = f(M) двигателя получается из выражения (5) заменой в нем тока на момент в соответствии с выражением (2):
U
RЯ
n=
−М
.
(8)
cE Ф
сЕ сМ Ф 2
Эта характеристика также линейна.
Рис. 3. Электромеханическая (скоростная) характеристика ДПТ независимого возбуждения
Характеристики ДПТ независимого и параллельного возбуждения, у которых Ф = сonst, аналогичны.
Следует отметить, что при значительном уменьшении
магнитного потока Ф (особенно при обрыве цепи возбуждения,
когда Ф = 0) в соответствии с (6) сильно возрастает частота
вращения. Ток якоря тоже возрастает, т. к. в этом режиме, как
следует из (1), снижается величина противо-эдс. Это приводит к
увеличению искрения на коллекторе под щетками и опасности
механических повреждений обмотки якоря за счет центробежных сил. При таких условиях n → ∞, и говорят, что двигатель
идет «вразнос».
10
Лабораторная работа № 1
«Исследование двигателя постоянного тока
с параллельным возбуждением»
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Практически ознакомиться со свойствами машины постоянного тока (МПТ) с параллельным возбуждением, работающей в режиме двигателя постоянного тока (ДПТ).
2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
2.1. Ознакомиться с конструкцией и принципом действия
машин постоянного тока.
2.2. Собрать электрическую схему и провести экспериментальные исследования характеристик двигателя постоянного
тока.
2.3. Рассчитать основные параметры ДПТ с параллельным возбуждением и построить зависимости, характеризующие
его свойства.
2.4. Проанализировать полученные результаты и сделать
выводы.
3. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Установка состоит из двух одинаковых электрических
машин постоянного тока, валы которых механически соединены
между собой. Одна из этих машин работает в качестве исследуемого двигателя, а другая в качестве нагрузочного генератора,
с помощью которого можно изменять момент нагрузки на валу
двигателя. Нагрузкой генератора является ламповый реостат.
Чем больше число включенных ламп, тем больше ток якоря ге11
нератора, тем больше тормозящий момент на валу двигателя.
Все выводы от двигателя и генератора, необходимые для
сборки схемы, подсоединены к клеммам на панели стенда и
имеют обозначения, аналогичные электрической схеме лабораторной установки. Для измерения частоты вращения двигателя в
лабораторной установке используется тахометр (от греч. tachos
– быстрота, скорость).
4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Формулы (1), (2) и (4), описывающие работу МПТ в режиме двигателя приведены выше. Следует обратить внимание
на то, что при работе МПТ в режиме двигателя в его электрическую схему (рис. 4) включают дополнительные резисторы (реостаты) с изменяющимися сопротивлениями RП и RВ.
Рис. 4. Электрическая схема лабораторной установки
12
Пуск двигателей постоянного тока. Пусковое сопротивление RП включают в цепь обмотки якоря для ограничения
величины тока якоря при пуске. При подключении ДПТ к сети с
напряжением U, когда частота его вращения n = 0, противо-эдс
якоря ЕЯ = 0, и из уравнения (4) можно найти ток якоря в момент
пуска двигателя IЯ.П:
IЯ.П = U/RЯ .
(9)
Так как на обмотку якоря подают номинальное напряжение, а ее сопротивление очень мало, пусковой ток якоря может в
10…20 раз превышать номинальное значение. Такой большой
ток приводит к чрезмерному искрению под щетками и повреждению поверхности коллектора. Кроме того, в соответствии с
(2), возникает очень большой пусковой момент, создающий
ударную нагрузку на вал и механическую передачу, связывающую двигатель с рабочим механизмом, что может привести
к ее поломке.
Ограничить пусковой ток можно двумя способами:
1) осуществить пуск при пониженном напряжении, для чего необходимо иметь регулируемый источник постоянного напряжения;
2) увеличить сопротивление якорной цепи, включив на
время пуска последовательно с обмоткой якоря пусковой реостат RП (рис. 4). Второй способ пуска называется реостатным.
При использовании реостатного пуска пусковой ток якоря
IЯ.П = U/(RЯ + RП). Сопротивление пускового реостата RП выбирают таким, чтобы пусковой ток двигателя не превышал более
чем в 2…3 раза его номинальное значение, т. е. выполнялось
условие IЯ.П ≤ (2…3)IНОМ.
По окончании разгона двигатель наберет обороты, возникнет эдс, противодействующая напряжению сети, и тогда пусковой реостат должен быть выведен, так как он не рассчитан на
длительный режим работы при больших значениях тока.
При пуске двигателя для получения наибольшего пусково13
го момента необходимо иметь наибольший магнитный поток
(ток возбуждения), так как согласно (2) вращающий момент
пропорционален магнитному потоку. Поэтому сопротивление
цепи возбуждения RВ при пуске следует делать минимальным,
чтобы магнитный поток машины был максимальным. При этом
двигатель быстрее разгоняется и сокращается время пуска.
С помощью сопротивления RВ можно уменьшать магнитный поток Ф с целью регулирования частоты вращения.
Генератор параллельного возбуждения. Является весьма
распространенным типом генератора постоянного тока, так как
не требует специального источника питания для обмотки возбуждения (рис. 4).
Источником питания обмотки возбуждения является якорь
самой машины. Поэтому важен процесс первоначального возникновения эдс в якоре, называемый процессом самовозбуждения машины.
Процесс самовозбуждения генератора основан на явлении
остаточного намагничивания ферромагнитных материалов, из
которых выполнена магнитная цепь машины. Магнитные полюсы генератора, будучи однажды намагничены (специально или в
процессе эксплуатации), сохраняют небольшой остаточный магнитный поток ФОСТ, значение которого составляет 2..3 % от номинального основного потока.
При вращении якоря с номинальной частотой в магнитном поле, созданном остаточным магнитным потоком, в обмотке якоря будет наводиться небольшая остаточная эдс (ЕОСТ). Она
создает небольшой ток IВ в обмотке возбуждения (нагрузка к
якорю не подключена), который создает свой магнитный поток
ФВ и увеличивает магнитный поток полюсов Ф = ФОСТ + ФВ, а
вместе с ним увеличивает и эдс якорной обмотки. Поэтому ток
возбуждения продолжает увеличиваться, магнитный поток снова увеличивается и т. д.
Таким образом, для самовозбуждения генератора необходимо выполнение следующих условий:
14
1) наличие в магнитной системе машины остаточного
магнитного потока;
2) правильное подключение обмотки возбуждения к якорю, чтобы возбуждаемый и остаточный магнитные потоки в генераторе совпадали.
5. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
5.1. Собрать электрическую схему на стенде в соответствии с рис. 4.
5.2. Произвести пуск двигателя вхолостую. Для этого необходимо выполнить следующие операции:
5.2.1. Выключить все лампы реостата.
5.2.2. Ввести полностью пусковой реостат RП (соответствует положению «Пуск»).
5.2.3. Вывести добавочный реостат RВ (соответствует положению «Пуск»).
5.2.4. Подать питание на стенд и после того, как двигатель наберет обороты, вывести пусковой реостат RП.
5.3. Проверить полярность включения обмоток генератора. Для этого включить лампы нагрузочного реостата. Если они
не горят, то генератор не самовозбуждается. В этом случае необходимо выключить питание и поменять местами концы Ш1 и
Ш2 обмотки возбуждения генератора или направление вращения якоря двигателя, поменяв те же концы, но у двигателя.
5.4. Снять регулировочную характеристику n = f(IВ) при
условии, что U = const, IЯ = IХХ. Для этого изменять частоту
вращения, уменьшая ток в обмотке возбуждения перемещением
движка реостата RВ на холостом ходу двигателя. Данные занести
в табл. 1 и построить характеристику.
При холостом ходе двигателя на его вал действует момент нагрузки, связанный с трением в подшипниках, трением
ротора о воздух, и момент потерь на вентиляцию.
15
№ опыта
1
2
3
4
5
IВ, А
n, об/мин
Таблица 1
Условия
U=
,В
Для случая реального холостого хода регулировочная характеристика представлена на рис. 5.
Рис. 5. Регулировочная характеристика n = f(IВ)
Теоретически частота вращения при Ф = 0 должна была
бы возрасти до бесконечности, но в режиме реального холостого
хода имеется определенный механический момент нагрузки на
валу машины, при котором скорость холостого хода ограничена
величиной nmax. Тем не менее в режиме холостого хода скорость
двигателя может в несколько раз превысить номинальную скорость, что может привести к механическому разрушению (разносу) двигателя. Поэтому при таком способе регулирования
скорости надо исключить возможность работы двигателя в режиме холостого хода.
16
Бесконечно большое увеличение тока возбуждения не
приведет к снижению скорости двигателя при холостом ходе до
0, т. к. при определенном токе возбуждения имеет место насыщение магнитной цепи машины, и дальнейшее увеличение тока
возбуждения уже не приводит к увеличению потока Ф. Этот
способ регулирования скорости применяют, если М > 0,5МН, что
исключает возможность разноса.
5.5. Снять скоростную (электромеханическую) характеристику n = f(IЯ) при U = сonst, IВ = сonst.
Рекомендуется снимать эту характеристику при большом
значении тока возбуждения (RВ – выведен). Ток якоря двигателя
изменять с помощью нагрузочного генератора, постепенно включая лампы в нагрузочном реостате. Данные занести в табл. 2 и
построить скоростную характеристику.
Таблица 2
№ опыта
IЯ, А
n, об/мин
М. нм
Условия
1
2
U=
,В
3
n = об/мин
4
5
5.6. На основании показаний, имеющихся в табл. 2, построить естественную механическую характеристику двигателя
n =f(M), которая описывается известным уравнением:
U
RЯ
n=
−М
.
cE Ф
сЕ сМ Ф 2
Величину сЕФ можно определить из (5) на стр. 9:
U − RЯ I Я
сЕ Ф =
,
(10)
n
где n берется из любой строки табл. 2. Сопротивление цепи обмотки якоря должно быть найдено заранее (для исследуемого в
данной работе двигателя RЯ = 6,7 Ом).
17
Момент вращения М для каждого случая вычисляется по
формуле
U ⋅ c Е ⋅ Ф − n( c Е ⋅ Ф ) 2
М = 9,55
.
(11)
RЯ
Полученные значения М занести в табл. 2 и построить
график естественной механической характеристики.
6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
6.1. Объясните принцип действия двигателя постоянного тока.
6.2. Объясните принцип действия генератора постоянного тока.
6.3. Объясните назначение обмоток возбуждения и
коллектора в машине постоянного тока.
6.4. Приведите классификацию МПТ по способу
возбуждения.
6.5. Приведите условия самовозбуждения генератора параллельного возбуждения.
6.6. Объясните особенности пуска ДПТ.
6.7. В чем опасность разноса двигателя?
18
Лабораторная работа № 2
«Механические характеристики двигателя
постоянного тока параллельного возбуждения»
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучить естественную и реостатные механические характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения от момента сопротивления
n = f(M). Для ДПТ она описывается известным выражением:
RЯ
U
n=
−М
.
cE Ф
с Е сМ Ф 2
Первый член этой формулы представляет собой частоту
вращения n0 при идеальном холостом ходе, а второй член выражения дает величину уменьшения частоты вращения ∆n при
возрастании нагрузки на валу двигателя. Поэтому зависимость n
= f(M) можно сокращенно записать:
n = n0 – ∆n.
Это уравнение прямой линии, отсекающей на оси ординат отрезок, равный n0.
Механическая характеристика, полученная при номинальных параметрах питающего напряжения и отсутствии каких-либо добавочных сопротивлений в цепях двигателя, называется естественной (прямая 1, рис. 5).
Степень ее наклона относительно оси абсцисс характеризуется котангенсом угла β, и называется жесткостью характеристики. Ввиду относительно малой величины ∆n естественная
характеристика ДПТ является жесткой.
19
Рис. 5. Механические характеристики при введении добавочных резисторов в цепь якоря и обмотки возбуждения
Искусственные характеристики двигателя при наличии в
его якорной цепи добавочных сопротивлений называются реостатными.
При введении добавочного сопротивления RД в цепь якоря все характеристики проходят под разным наклоном через одну и ту же точку на оси скорости с ординатой n0 и располагаются ниже естественной (прямые 2, рис. 5).
Регулирование частоты вращения данным способом характеризуется следующими показателями. Диапазон регулирования скорости небольшой и обычно не превышает 2–3. Одна
из причин этого заключается в снижении жесткости характеристик по мере увеличения RД. Направление регулирования скорости – вниз от естественной характеристики. Плавность регулирования скорости определяется характером изменения RД.
Если сопротивление этого резистора изменяется плавно, то данный способ обеспечивает плавное регулирование скорости.
Стабильность скорости снижается по мере увеличения диапазона регулирования, так как уменьшается жесткость характеристик. Экономичность регулирования скорости оценивается
20
сопоставлением требуемых капитальных затрат на реализацию
данного способа и стоимости потерь энергии при регулировании. Капитальные затраты на приобретение добавочных резисторов небольшие, т. к. их стоимость невелика. Потери мощности в цепи якоря достаточно велики. При снижении скорости,
например, в два раза по сравнению со скоростью n0, половина
всей потребляемой из сети мощности идет на потери.
Включение добавочного сопротивления RВ в цепь обмотки возбуждения приводит к уменьшению тока возбуждения двигателя, а значит, к уменьшению магнитного потока Ф, вследствие чего увеличивается частота вращения холостого хода с n0 до
n10 (прямая 3, рис. 5). Характеристика становится несколько мягче, чем естественная. Отметим показатели данного способа регулирования скорости двигателя. Диапазон регулирования скорости при данном способе равен 1,5…3. Направление регулирования скорости – вверх от естественной характеристики.
Плавность регулирования скорости определяется плавностью
регулирования тока возбуждения. Стабильность скорости достаточно высокая, хотя она и снижается при снижении магнитного потока.
Анализ полученных характеристик позволяет сделать
вывод, что регулирование частоты вращения ДПТ в данном
электроприводе двухзонное (ниже и выше основной), и осуществляется достаточно просто.
3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
3.1. Ознакомиться со схемой установки (рис. 6) и приборами, используемыми при исследованиях.
3.2. Ознакомиться с особенностями пуска двигателей постоянного тока. Установить реостаты в пусковое положение:
добавочный RД – введен, регулировочный RВ – выведен. Запустить двигатель и опробовать схему.
21
Рис. 6. Электрическая схема лабораторной установки
3.3. Вывести полностью реостаты RД, RВ и, нагружая двигатель, снять данные для построения естественной механической характеристики. Показания внести в табл. 4.
3.4. Ввести сопротивление RД наполовину и снять данные для 1-й реостатной характеристики при полном магнитном потоке Ф.
3.5. Ввести сопротивление RД полностью и снять 2-ю реостатную характеристику.
3.6. Вывести сопротивление RД полностью и снять механическую характеристику при ослабленном магнитном потоке
Ф. Для этого с помощью реостата RВ уменьшить ток возбуждения примерно на 30 %.
22
Таблица 4
Ф ослаблен
Реостатные (Ф полный)
Естественная
UД
IД
IВ
В
А
В
n, об/мин
№ отсчета
Тип хар -ки
Измерено
Вычислено
UГ
IГ
PД
PГ
В
А
Вт
Вт
η
P2
M
Вт
Нм
1
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
23
3.7. Сделать необходимые расчеты и заполнить графу
«вычислено», используя формулы:
мощность, Вт, потребляемая двигателем РД = UД ·IД;
мощность, Вт, отдаваемая нагрузочным генератором,
РГ = UГ ·IГ;
кпд двигателя (считая, что машины одинаковые)
РГ
η=
;
РД
полезная мощность двигателя, Вт, Р2 = РД·η;
момент вращения двигателя, Нм, М = 9,55·Р2 /n.
3.8. Построить все характеристики в общих осях координат. Их ориентировочный вид представлен на рис. 5.
4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
4.1. Объясните назначение генератора постоянного тока
в лабораторной установке.
4.2. Объясните особенности пуска ДПТ.
4.3. Какая механическая характеристика двигателя называется естественной?
4.4. Поясните влияние добавочных сопротивлений в цепи якоря на вид механических характеристик ДПТ параллельного возбуждения.
4.5. Поясните влияние изменения тока возбуждения на
вид механических характеристик ДПТ параллельного возбуждения.
24
Лабораторная работа № 3
«Механические характеристики двигателя
постоянного тока с независимым возбуждением
по системе ,,генератор – двигатель”»
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучить принципы регулирования частоты вращения
двигателя постоянного тока (ДПТ) в системе Г–Д. Экспериментально исследовать его механические характеристики.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Регулирование частоты вращения ДПТ независимого возбуждения осуществляется за счет изменения величины напряжения, подаваемого на обмотку якоря двигателя. Источником регулируемого напряжения постоянного тока в данной системе является генератор независимого возбуждения. Эдс, вырабатываемая
генератором, определяется выражением:
ЕГ = сЕФ·n ,
где Ф – магнитный поток одного полюса, Вб; n – частота вращения якоря, об/мин; сЕ – конструктивный коэффициент машины.
Как видно из формулы, величину эдс генератора ЕГ можно
регулировать, изменяя частоту вращения n его якоря либо изменяя магнитный поток Ф. Генератор в системе Г – Д обычно приводится во вращение трехфазным асинхронным или синхронным
двигателем, которые имеют n = const, и значит, величину его эдс
удобнее регулировать за счет изменения магнитного потока. Для
изменения потока необходимо изменять ток в обмотке возбуждения, поэтому в таких системах применяется генератор независимого возбуждения.
Основные преимущества системы Г – Д заключаются в
следующем:
25
– обеспечивается широкий диапазон регулирования частоты вращения приводного двигателя (порядка 1:16);
– механические характеристики во всем диапазоне регулирования сохраняют неизменную жесткость, если регулирование осуществляется при неизменном магнитном потоке;
– возможен пуск двигателя без пусковых реостатов
(с подачей на якорь пониженного напряжения);
– появляется возможность использовать электрическое
торможение (динамическое и генераторное);
Недостатки системы Г – Д:
– большие габариты и стоимость оборудования, т. к. необходимо иметь три электрические машины одинаковой мощности;
– значительный шум при работе.
Благодаря широкому диапазону регулирования и хорошим
условиям пуска система Г – Д применяется в мощных электроприводах: в строительных машинах (экскаваторах), крупных металлорежущих станках, прокатных станах и т. п.
Принципиальная электрическая схема лабораторной установки с системой Г – Д приведена на рис. 7. Для расширения
диапазона регулирования частоты вращения двигателя применяется система автоматического регулирования (САР). В САР используется принцип отрицательной обратной связи по параметру,
который она стабилизирует.
Система Г – Д без обратной связи. При этом переключатель S1 устанавливается в нейтральное положение.
Напряжение UГД на обмотку якоря исполнительного двигателя М1 поступает с генератора G1 и оно равно:
(12)
UГД = EГ – IЯ(RЯГ + RЯД),
где EГ – эдс генератора при постоянной частоте вращения асинхронного двигателя М2; IЯ – ток, протекающий по обмоткам якорей генератора и двигателя; RЯГ, RЯД – сопротивление якорных
обмоток генератора и двигателя.
26
27
Рис.7. Электрическая схема стенда
Диапазон регулирования частоты вращения двигателя путем изменения напряжения генератора достигает 8:1. Диапазон
регулирования за счет ослабления магнитного потока составляет
2:1. Таким образом, общий диапазон регулирования достигает
значения 16:1.
Пределы регулирования частоты вращения ограничены
следующими обстоятельствами. Верхний предел ограничен условиями коммутации, которые ухудшаются с возрастанием скорости. Нижний предел ограничивается тем, что при малых скоростях падение напряжения в цепи якоря при полной нагрузке делается соизмеримым с напряжением генератора, и незначительные
изменения нагрузки приводят к значительным колебаниям частоты вращения и даже остановке двигателя.
Механические характеристики двигателя при регулировании напряжения генератора представляют собой прямые линии,
параллельные друг другу, поскольку падение напряжения в цепи
якорей машин RЯГ + RЯД остается одним и тем же для всех характеристик (рис. 8).
Рис. 8. Механические характеристики ДПТ в системе Г – Д без
обратных связей
28
Характеристики при регулировании изменением напряжения в этой системе обладают меньшей жесткостью, чем естественная характеристика ДПТ независимого возбуждения, питаемого от источника неизменного напряжения. Объясняется это тем,
что к сопротивлению якорной цепи двигателя RЯД в системе Г –
Д добавилось сопротивление якорной цепи генератора RЯГ.
Система Г – Д с обратной связью по напряжению генератора. Такая система автоматически регулирует (стабилизирует)
напряжение на зажимах генератора UГД, которое в соответствии
с (12) снижается при увеличении тока нагрузки IЯ в цепи якорей
генератора и двигателя. Если напряжение генератора UГД поддерживать постоянным, то влияние падения напряжения на сопротивлении якорной обмотки генератора RЯГ компенсируется,
и жесткость механических характеристик системы Г – Д приближается к жесткости естественной характеристики ДПТ, питаемого от источника неизменного напряжения. Для включения
обратной связи по напряжению переключатель S1 переводится в
положение «1».
Система Г – Д с обратной связью по частоте вращения.
Переключатель S1 переводится в положение «2». При этом подключается отрицательная обратная связь по частоте вращения
двигателя. Т. к. в этом случае измеряется непосредственно выходная величина системы – частота вращения, то компенсируются падения напряжения в сопротивлениях якорных обмотках как
генератора RЯГ, так и двигателя RЯД, и механические характеристики системы ближе к абсолютно жестким.
3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Лабораторный стенд, схема которого изображена на рис. 7,
включает в себя генератор постоянного тока независимого возбуждения G1, якорь которого соединен с якорем двигателя постоянного тока независимого возбуждения М1, трехфазный
асинхронный двигатель М2 для вращения генератора G1,
нагрузочный генератор постоянного тока G2, тахогенератор BR,
29
генератор постоянного тока G2, тахогенератор BR, усилитель постоянного тока УПТ, пускорегулирующую аппаратуру и контрольно-измерительные приборы.
Система Г – Д без обратной связи. Переключатель S1 установлен в положении «0», на неинвертирующий вход усилителя
УПТ с потенциометра R1 подается только напряжение задания
UЗ, задающее частоту вращения двигателя М1. Усилитель питает
обмотку возбуждения генератора G1, магнитный поток в которой
пропорционален UЗ. Величине магнитного потока Ф пропорциональна эдс генератора ЕГ, а в соответствии с (12) и напряжение
питания двигателя UГД. Величина этого напряжения определяет
механическую характеристику, на которой работает двигатель.
Система Г – Д с обратной связью по напряжению генератора. В положении «1» переключателя S1 в дополнение к сигналу UЗ на инвертирующий вход усилителя с потенциометра R2 подается напряжение отрицательной обратной связи UОС, пропорциональное напряжению UГД генератора G1.
На входах усилителя эти сигналы сравниваются, т. е. выполняется операция вычитания:
UЗ – UОС = ∆U.
(13)
Получившийся сигнал ∆U рассогласования усиливается и
подается на обмотку возбуждения генератора.
САР с отрицательной обратной связью работает следующим образом. При увеличении нагрузки на валу двигателя, т. е.
тока IЯ, увеличивается падение напряжения в якорной обмотке
генератора, что приводит к снижению напряжения на его зажимах UГД. Это приводит к снижению величины сигнала отрицательной обратной связи UОС, а в соответствии с (13) к увеличению напряжения рассогласования ∆U. После усиления это напряжение увеличивает магнитный поток обмотки возбуждения, а
следовательно, и величину эдс генератора. Это компенсирует
снижение напряжения на его зажимах. Аналогично САР работает
при увеличении напряжения генератора.
30
Система Г – Д с обратной связью по частоте вращения
двигателя. В положении «2» переключателя S1 на инвертирующий вход усилителя подается сигнал отрицательной обратной
связи по частоте вращения двигателя. Напряжение, пропорциональное частоте вращения двигателя, снимается с якоря тахогенератора BR. В качестве тахогенератора используется генератор
постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, вал
которого механически соединен с валом двигателя.
САР с обратной связью по частоте вращения двигателя
работает аналогично САР напряжения генератора, только поддерживает заданное значение частоты вращения двигателя. При
этом компенсируется снижение частоты вращения двигателя при
увеличении его нагрузки, вызванное увеличением падения напряжения как в сопротивлении якорной обмотки генератора, так
и в сопротивлении якорной обмотки двигателя. В результате механические характеристики системы Г – Д будут более жесткими,
чем естественная характеристика ДПТ.
4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
4.1. Ознакомиться с электрическим оборудованием и измерительными приборами, размещенными на стенде.
4.2. Установить переключатель S1 в положение «0». Реостаты R1 и R2 вывести. Нагрузку в цепи якоря генератора G2
отключить.
4.3. Запустить асинхронный двигатель М2 привода генератора G1.
4.4. Снять и занести в табл. 5 данные для построения механических характеристик двигателя М1 при полном магнитном
потоке и следующих значениях напряжения на якоре двигателя:
а) UГД = 60 В;
б) UГД = 120 В.
31
поддерживая его постоянным при снятии каждой характеристики
реостатом R1. Двигатель нагружать, увеличивая тормозящий момент генератора G2 за счет увеличения тока в его якорной цепи,
поэтапно увеличивая количество включенных ламп EL1… EL4 в
нагрузочном реостате генератора.
4.5. Снять данные для построения механической характеристики двигателя М1 при ослабленном магнитном потоке. Для этого реостат R2 ввести полностью. Напряжение на якоре UГД = 60 В
поддерживать постоянным с помощью реостата R1.
4.6. Переключатель S1 поставить в положение «1» и снять
данные для механической характеристики двигателя М1 при введении отрицательной обратной связи по напряжению генератора.
4.7. Переключатель S1 установить в положение «2» и снять
данные для построения механической характеристики двигателя
М1 при введении отрицательной обратной связи по частоте вращения двигателя.
5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЯ
5.1. Для построения механических характеристик сделать
необходимые вычисления (графа «вычислено» в табл. 5), используя следующие формулы:
PД = UГД·IЯ, Вт, – потребляемая мощность двигателя;
PГ2 = UГ2·IГ2, Вт, – мощность нагрузочного генератора;
ηА = PГ2 / PД – кпд агрегата Г – Д;
ηД = η А – кпд двигателя;
P2 = PД·ηД, Вт, – полезная мощность двигателя;
M = 9,55·P2 /n, Нм, – вращающий момент двигателя.
5.2. В общих осях координат построить механические характеристики двигателя n = f(M) для всех режимов работы.
32
60
120
IЯ
n
IГ2
А мин-1 А
Вычислено
UГ2
В
PД
Вт
PГ2
Вт
ηА
ηД
P2
Вт
M
Нм
ОС по частоте
вращения
ОС по
напряжению
Ф ослабленный
Ф полный
UГД
В
Ф полный
Режим
работы
Таблица 5
Измерено
6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
6.1. Перечислите достоинства и недостатки электропривода по системе Г – Д.
33
6.2. Укажите, чем ограничены диапазоны регулирования
частоты вращения вниз и вверх от естественной характеристики
ДПТ.
6.3. Объясните стабилизирующее действие отрицательных
обратных связей в системах автоматического регулирования.
6.4. Что позволяет компенсировать введение в систему Г – Д
обратной связи по напряжению генератора? Какие механические
характеристики можно получить в этом случае?
6.5. Что позволяет компенсировать введение в систему Г – Д
обратной связи по частоте вращения двигателя? Какие механические характеристики можно получить в этом случае?
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Электрический привод: учебник для вузов по направлению
«Электротехника, электромеханика и электротехнология» / В. Д.
Москаленко [и др.]. – М. : Академия, 2007. – 361 с.
2. Касаткин, А. С. Электротехника: учебник для неэлектротехн. спец. вузов / А. С. Касаткин, М.В. Немцов. – М. : Академия, 2008. – 538 с.
3. ГОСТ 2.710–81*ЕСКД Обозначения буквенно-цифровые
в электрических схемах.
4. ГОСТ 2.722–68*ЕСКД Обозначения условные графические в схемах. Машины электрические.
5. ГОСТ 2.755–87 (СТ СЭВ 5720) ЕСКД Обозначения условные графические в схемах. Устройства коммутационные и
контактные соединения.
6. ГОСТ Р 50369–92 Электроприводы. Термины и определения.
34