Исследование двигателя постоянного тока параллельного возбуждения (120

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

возбуждения на обратное. Предпочтительнее изменять направления тока якоря, поскольку якорная цепь обладает меньшей инерционностью.

4.2. Пуск двигателей

Из формулы (3) следует, что в первое мгновение после включения двигателя в сеть постоянного напряжения, т. е. когда значения n = 0 и Е = kE Φn = 0, ток якоря

Поскольку значение сопротивления rя невелико (обычно в пределах 1 Ом), то значение тока якоря Iя может в 10 — 20 раз превышать номинальное значение тока двигателя Iя.н. Это недопустимо, поскольку ведет к сильному искрению и разрушению коллектора. Кроме того, при таком значении тока возникает недопустимо большой момент двигателя, а при частых пусках возможен перегрев обмотки якоря.

Чтобы уменьшить пусковой ток в цепи якоря, включают пусковой резистор, который обычно выполняют в виде нескольких ступеней, которые выключают поэтапно по мере увеличения частоты вращения двигателя. В лабораторной установке (cм. рис. 1) пусковой резистор выполнен в виде двух резисторов rп и rд.

Таким образом, в первое мгновение при пуске в цепь якоря двигателя оказываются включенными оба резистора rп и rд и пусковой ток якоря

По мере разгона двигателя в обмотке якоря возрастает ЭДС, а, как следует из формулы (3), это приводит к уменьшению тока якоря Iя и, в соответствии с выражением (1), — к снижению развиваемого момента. Поэтому по мере увеличения частоты вращения двигателя сопротивление в цепи якоря уменьшают вплоть до полного его исключения на последнем этапе пуска.

Чтобы при сравнительно небольшом пусковом токе получить большой пусковой момент, пуск двигателя осуществляют с наибольшим магнитным потоком. Следовательно, значение тока воз-

11

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

буждения при пуске должно быть максимально допустимым, т. е. номинальным.

4.3.Технические данные двигателей

Впаспорте двигателя и справочной литературе на двигатели постоянного тока указаны следующие технические данные: номинальные значения напряжения Uн; мощности Рн; частоты враще-

ния nн; тока Iн; КПД ηн.

Под номинальным напряжением Uн понимают напряжение, на которое рассчитаны обмотка якоря и коллектор, а также в большинстве случаев и параллельная обмотка возбуждения. С учетом номинального напряжения выбирают электроизоляционные материалы двигателя.

Номинальное значение тока Iн — максимальное длительно допустимое значение тока (потребляемого из сети), при котором двигатель не перегревается выше допустимой температуры, работая в том режиме (длительном, повторно-кратковременном, кратковременном), на который рассчитан:

где Iя.н — ток якоря при номинальной нагрузке; Iв.н — ток возбуждения при номинальном напряжении.

Следует отметить, что ток возбуждения Iв.н двигателя параллельного возбуждения сравнительно мал, поэтому при номинальной нагрузке обычно принимают Iн = Iя.н.

Номинальная мощность Рн — это мощность, развиваемая двигателем на валу при работе с номинальной нагрузкой на валу (моментом) и номинальной частотой вращения nн.

Частота вращения nн и КПД ηн соответствуют работе двигателя с током Iн, напряжением Uн без дополнительных резисторов в цепях двигателя.

Мощность, потребляемая двигателем из сети, определяется как

где I = Iя + Iв.

Мощность на валу двигателя Р2, Вт, развиваемый момент М , Н ∙ м, и частота вращения n, мин−1, связаны соотношением

12

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Очевидно, что соотношения (8) и (9) справедливы также и для номинального режима работы двигателя.

4.4. Механические характеристики и регулирование частоты вращения двигателя

Механическая характеристика, представляющая собою зависимость частоты вращения двигателя от развиваемого им момента n(M), имеет большое практическое значение. Если к обмоткам двигателя подведены номинальные напряжения и отсутствуют дополнительные резисторы в его цепях, то двигатель имеет механическую характеристику, называемую естественной. На естественной характеристике находится точка, соответствующая номинальным данным двигателя (Мн, nн, Рн и т. д.). Если же напряжение на обмотке якоря меньше номинального, либо Iв 6= Iв.н, либо в цепи якоря rд 6= 0, то механические характеристики, соответствующие этим условиям, называются искусственными. На этих характеристиках двигатель работает при пуске, торможении, реверсе и регулировании частоты вращения.

Преобразовав выражение (3) относительно частоты вращения, получим уравнение электромеханической характеристики n(Iя):

После замены в уравнении (10) тока якоря Iя согласно формуле (1) получим уравнение механической характеристики n(М ):

При Φ = const электромеханическая n(Iя) и механическая n(М ) характеристики двигателя параллельного возбуждения представля-

13

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

ют собой прямые линии. Однако вследствие реакции якоря (влияния тока якоря на результирующий магнитный поток двигателя) характеристики в действительности несколько отличаются от прямых.

При работе вхолостую (М = 0) двигатель имеет частоту вращения холостого хода, определяемую первым членом правой части уравнений (10) и (11). С увеличением нагрузки значение n уменьшается. Как следует из уравнения (11), это обусловлено наличием сопротивления якоря rя.

Поскольку значение rя невелико, частота вращения двигателя при увеличении момента изменяется относительно мало, и двигатель имеет жесткую естественную механическую характеристику (рис. 4, характеристика 1).

Рис. 4. Естественная и искусственные механические характеристики n(M)

Из уравнения (11) также следует, что регулировать частоту вращения двигателя при заданной постоянной нагрузке (М = const) можно тремя способами:

а) изменением сопротивления цепи якоря; б) изменением магнитного потока двигателя;

в) изменением напряжения на зажимах якоря.

Для регулирования частоты вращения двигателя первым способом в цепь якоря должно быть включено добавочное сопроти-

14

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

вление rд. Уравнение искусственной механической характеристики для этого режима будет аналогично уравнению (11), в котором сопротивление якоря rя необходимо заменить на rя + rд.

Частота вращения n двигателя связана с суммарным сопротивлением цепи якоря rя + rд при постоянной нагрузке (М = const) линейной зависимостью, т. е. при увеличении сопротивления частота вращения двигателя уменьшается. Различным значениям сопротивления rд соответствуют различные искусственные механические характеристики, одна из которых приведена на рис. 4 (характеристика 2). В частности, с помощью характеристики 2 при некотором заданном значении момента М1 можно, например, получить частоту вращения n3 двигателя.

Изменение частоты вращения вторым способом в лабораторной установке осуществляется с помощью регулируемого источника напряжения VD2 (см. рис. 1). Изменяя его напряжение регулятором R2, можно изменить значение тока возбуждения Iв и тем самым — магнитный поток двигателя. При постоянной нагрузке (М = const) частота вращения n находится в сложной зависимости от магнитного потока Φ. Анализ уравнения (11) показывает, что в некотором диапазоне изменения значений магнитного потока Ф уменьшение последнего приводит к увеличению частоты вращения. Именно этот диапазон изменения значений магнитного потока используют при регулировании частоты вращения двигателя.

Каждому значению магнитного потока соответствует своя искусственная механическая характеристика двигателя, одна из них представлена на рис. 4 (характеристика 4). В частности, с помощью характеристики 4 при моменте на валу, равном М1, можно получить частоту вращения n4.

Чтобы регулировать частоту вращения изменением напряжения на зажимах якоря, необходимо иметь относительно мощный регулируемый источник напряжения. На лабораторном стенде напряжение на зажимах якоря изменяют с помощью регулятора R3 источника VD3 (см. рис. 1). Из уравнения (11) следует, что частота вращения двигателя при постоянном моменте на валу (М = const) линейно зависит от напряжения: при уменьшении напряжения частота вращения снижается. Каждому значению напряжения соответствует искусственная механическая характеристика двигателя, одна из них приведена на рис. 4 (характеристика 3). В частности

15

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

с помощью характеристики 3 при заданном моменте М1 можно получить частоту вращения n3.

4.5. Зависимость тока якоря от момента на валу двигателя

Поскольку у двигателя параллельного возбуждения при изменении нагрузки ток возбуждения Iв = const и в идеале магнитный поток Φ = const, то согласно выражению (1) между током якоря Iя и моментом М существует линейная зависимость (рис. 5, прямая 1). Очевидно, что зависимость (1) справедлива при любом суммарном сопротивлении цепи якоря двигателя. Работе двигателя с различными значениями сопротивления цепи якоря при одном и том же моменте, например М1 (см. рис. 5), соответствует одно и то же значение тока якоря Iя1. Меньшему значению тока возбуждения Iв (магнитного потока Ф) соответствует прямая 2 (см. рис. 5). В этом случае при том же значении момента, например М1, ток якоря имеет большее значение (Iя2).

Рис. 5. Зависимость тока якоря Iя от момента на валу двигателя M

Из выражения (1) следует, что прямая 1 (см. рис. 5) соответствует любым значениям напряжения на зажимах якоря двигателя. Таким образом, при работе двигателя с различными значениями напряжения на зажимах якоря одному и тому же моменту, например моменту М1, соответствует одно и то же значение тока якоря (Iя1).

16

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Следует обратить внимание на то, что в реальных условиях при работе двигателей вхолостую (М = 0) в обмотке якоря существует небольшой по значению ток холостого хода Iх.х. Он обусловлен наличием механических потерь (обусловленных трением) и потерь в магнитопроводе якоря двигателя.

4.6. КПД двигателей постоянного тока

Коэффициент полезного действия является важнейшей энергетической характеристикой двигателей. Чем он больше, тем меньшие значения будут иметь мощность Р1 и ток I, потребляемые двигателем из сети, при одной и той же механической мощности Р2. В общем виде зависимость η(Р2) имеет вид:

с изменением мощности Р2 в выражении (12) изменяются и потери мощности Pя. Характер изменения КПД η от механической мощности Р2 определяется, главным образом, параболической зависимостью Pя (Р2). Зависимость η(Р2) (рис. 6) получают на основании расчетных или опытных данных.

Рис. 6. Зависимость КПД η от мощности на валу Р2

17

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Двигатели рассчитывают таким образом, чтобы максимальным значение η было в области, близкой к значению номинальной мощности. Эксплуатация двигателей при малых нагрузках нежелательна вследствие малых значений η. Значения КПД двигателей с различными способами возбуждения и мощностью от 1 до 100 кВт при номинальной нагрузке разные и составляют в среднем 0,8.

4.7. Электромагнитный тормоз

Электромагнитный тормоз состоит из стального якоря П-об- разного сечения, закрепленного на валу двигателя, и индуктора (электромагнита), расположенного на неподвижной оси внутри якоря.

В якоре, вращающемся в магнитном поле электромагнита, индуцируется ЭДС и возникают вихревые токи, а также токи перемагничивания. Взаимодействие этих токов с магнитным полем электромагнита создает тормозной момент на валу. Уменьшая или увеличивая значение тока в катушке электромагнита, можно изменять значение тормозного момента.

5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Как устроен двигатель постоянного тока?

2.Каков принцип действия двигателя постоянного тока?

3.Почему пусковой ток двигателя Iп в 10. . . 20 раз больше номинального, а значение тока в режиме холостого хода Iх.х примерно в 20 раз меньше номинального значения?

4.Каково назначение резисторов rп и rд (см. рис. 1)?

5.Какие переключения следует осуществить для изменения направления вращения двигателя?

6.Какие формулы использованы для вычисления величин, представленных в табл. 1?

7.Какие методы регулирования частоты вращения двигателя параллельного возбуждения существуют?

8.Как изменится частота вращения якоря при одной и той же нагрузке, если: а) увеличить значение сопротивления в цепи якоря; б) уменьшить значение тока обмотки возбуждения; в) уменьшить значение напряжения на обмотке якоря?

18

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

9.Как изменится ток якоря при одном и том же моменте, если: а) увеличить сопротивление в цепи якоря; б) уменьшить ток обмотки возбуждения; в) уменьшить напряжение на обмотке якоря?

10.Почему наклон естественной механической характеристики

коси абсцисс меньше, чем искусственной, при Iв < Iв.н?

11.Почему в режиме холостого хода (М = 0) частота вращения

двигателя при включенном в цепь якоря резисторе rд не равна частоте вращения двигателя при rд = 0?

12.Почему ток якоря не равен нулю в режиме холостого хода?

13.От чего зависит КПД двигателя постоянного тока?

14.От каких величин зависит характер изменения КПД двигателя в соответствии с полученным графиком η(Р2)?

15.Опытным путем получена механическая характеристика 1 (рис. 7). Какие переключения необходимо сделать в схеме (см. рис. 1), чтобы получить характеристику 2?

Рис. 7. Механические характеристики двигателя n(M)

16. Двигатель работает в режиме, соответствующем точке а характеристики 1 (рис. 8). Какие действия необходимо выполнить,

19

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

чтобы двигатель работал в режиме, соответствующем точке б характеристики 2?

Рис. 8. Естественная 1 и искусственная 2 (при ослабленом магнитном потоке) механические характеристики двигателя n(M)

Рис. 9. Естественная 1 и искусственная 2 (при наличии добавочного резистора цепи якоря) механические характеристики двигателя n(M)

17. Двигатель работает в режиме, соответствующем точке а характеристики 1 (рис. 9). Какие действия необходимо выполнить, чтобы двигатель работал в режиме, соответствующем точке б характеристики 2?