ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра прикладной химии и физики

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ

ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ

ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Уфа 2008

Методические указания содержат краткое изложение теории электродвигателей постоянного тока с последовательным и независимым возбуждением, описание лабораторного стенда, рабочие задания и контрольные вопросы. Работа предназначена для студентов дневного, вечернего и заочного отделений архитектурно – строительного и геофизического факультетов.

СОСТАВИТЕЛИ: ГАРЕЕВ Г. Г., ст. преподаватель

РЯБИШИНА Л. А., преподаватель, к.т.н.

РЕЦЕНЗЕНТ ЖДАНОВ А. Г., доцент, к.т.н.

© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2008

Лабораторная работа

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ

ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ

ВОЗБУЖДЕНИЕМ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с назначением, устройством и принципом действия электродвигателей постоянного тока.

Изучить основные характеристики и режимы работы двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением (ДПТ с ПВ)

2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

2.1. Назначение, устройство и принцип действия ДТП

Электродвигатели постоянного тока - электрическая машина предназначенная для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую.

Электродвигатели постоянного тока в конструктивном отношении не отличаются от генераторов постоянного тока. Машины постоянного тока обратимы и могут работать как в генераторном, так и в двигательном режиме.

Двигатели постоянного тока (ДПТ) обладают важными преимуществами перед другими электродвигателями: они позволяют плавно и глубоко регулировать скорость вращения ротора (якоря) и создают большой пусковой момент, что определяет их широкое использование в качестве тяговых двигателей на электрифицированном транспорте, в лифтах, приводах тельферов и других подъемно-транспортных механизмах.

Особенностью ДПТ с ПВ являются необходимость обеспечения определенного момента сопротивления на валу, т.е. недопустимость работы в режиме холостого хода т.к. при этом двигатель идет в разнос.

Машина постоянного тока (рис. 1) имеет неподвижную часть- статор 1 и расположенные на нем главные 2 и дополнительные 3 полюса с обмотками возбуждения 4 и 5.

Подвижной частью машины является цилиндрический ротор (якорь) 6, набранный из изолированных друг от друга листов электрической стали для уменьшения потерь мощности в магнитопроводе якоря. В пазах якоря размещается обмотка якоря 7, выводы которой соединяются с пластинками коллектора 8, монтируемого на валу машины.

Как отмечалось выше, МПТ могут работать в режиме генератора или двигателя. Для работы МПТ в режиме двигателя необходимо от внешнего источника постоянного тока подать напряжение на щетки машины и в

Рис. 1. Устройство машины постоянного тока

обмотку возбуждения. При этом в обмотках возбуждения и якоря возникает электрический ток В результате взаимодействия тока якоря с магнитным потоком, создаваемым обмоткой возбуждения в магнитопроводе статора, возникает электромагнитный момент ДПТ, под действием которого якорь приходит во вращение. При этом электромагнитный момент, развиваемый ДПТ

где С_м- коэффициент, зависящий от конструкции обмотки якоря и числа полюсов электродвигателя; Ф - магнитный поток одной пары полюсов ДПТ; I_Я - ток якоря двигателя.

При вращении якоря в его обмотке возникает э. д. с. индукции, направленная навстречу току и приложенному напряжению питания Поэтому э. д. с. якоря обычно называют противо - э. д. с. и она равна

где ω - угловая скорость или частота вращения якоря ДПТ, рад/с; С_е -коэффициент, зависящий от конструктивных элементов машины; Ф- магнитный поток одной пары главных полюсов ДПТ.

В зависимости от способа электромагнитного возбуждения ДПТ подразделяется на двигатели с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

У двигателей с независимым возбуждением обмотка возбуждения (ОВ) питается от независимого источника постоянного тока (рис. 2)

У двигателей с параллельным возбуждением ОВ рассчитана на полное напряжение питания и включается параллельно цепи якоря (рис.3).

Рис. 2. ДТП с независимым Рис. 3. ДТП с параллельным

возбуждением возбуждением

Двигатель с последовательным возбуждением имеют ОВ, которая включается последовательно с якорем, поэтому она рассчитана на полный ток якоря (рис. 4).

Рис. 4. ДПТ с последовательным Рис. 5. ДПТ со смешанным

возбуждением возбуждением

Двигатели со смешанным возбуждением имеют две обмотки, одна ОВ₂ включается параллельно, другая ОВ₁ - последовательное с якорем (рис.

5).

В данной лабораторной работе исследуются ДПТ с после­довательным возбуждением (ПВ). Например, ДПТ с ПВ трамвайных вагонов имеют мощность 40...45 кВт, напряжение 550 В, двигатели электровозов имеют мощность 450...550 кВт, напряжение 3 кВ.

При пуске ДПТ (независимо от способа возбуждения) путем прямого включения в питающую сеть возникают большие пусковые токи (в 10...30 раз больше нормального), которые могут привести к выходу их из строя. Это происходит в результате выделения значительного количества теплоты в обмотке якоря и последующего нарушением ее изоляции. Поэтому пуск ДПТ производится специальными пусковыми реостатами R_п. Сопротивление R_п выбирается таким, чтобы пусковой ток не превышал кратковременного допустимого значения (2...2,5) I_Н (I_Н - номинальный ток двигателя). Время пуска ДПТ составляет доли секунд. Таким образом, пусковое сопротивление в цепи якоря необходимо только при пуске. В процессе нормальной работы электродвигателя R_п должно быть отключено, т.е. R_п=0.

Поэтому для ДПТ с ПВ в соответствии со вторым законом Кирхгофа (см. рис. 4) уравнение электрического сопротивления имеет вид

где R_Я и R_B сопротивление якоря и ОВ.

С учетом того, что , уравнение частотной характеристики ДПТ с ПВ приводится к следующему виду:

Из формулы следует, что при отсутствии нагрузки на валу и токе якоря I_Я=0 частота вращения ДПТ при данном значении питающего напряжения

где ω₀ является частотой вращения идеального холостого хода

Частотные ω, рад/с (скоростные n=60/2πω, об/мин), характеристики ДПТ ω=f(I_Я) при U=U_H=const имеют вид (рис. 6) и их называют естественными частотными характеристиками ДПТ, так как R_П=0 и R_P=0 и Ф=Ф_Н, зависимость ω=F(M) - называют механической характеристикой ДПТ.

Выражая в уравнениях частотных характеристик ток I_Я через электромагнитный момент двигателя М= С_ЕФI_Я, получим для ДПТ с ПВ

Рис. 6. Частотные естественные характеристики ДПТ

Для ДПТ с параллельным возбуждением (шунтовых) естественная механическая характеристика (прямая 1, рис. 6) называется "жесткой".

Для ДПТ с ПВ и изменением I_Я, М (т.е. от его нагрузки М_С) меняется и магнитный поток, поэтому естественная механическая характеристика будет "мягкой" и имеет вид, представленный на рис. 6 (зависимость 2).

Благодаря наличию двух обмоток возбуждения (см. рис 5) свойства ДПТ со смешанным возбуждением представляет собой нечто среднее между свойствами ДПТ с параллельным и последовательным возбуждением. Поэтому механическая характеристика, представленная на рис. 6, имеет вид (зависимость 3).

2.2. Способы регулирования скорости вращения ДПТ с ПВ

При использовании электропривода часто технологический процесс требует изменение частоты угловой скорости вращения электродвигателя при неизменной нагрузке на валу ротора (M_С=const). Такое регулирование угловой скорости вращения ω, как видно из выражения механической характеристики ω=F(M), можно осуществить изменением U, R_P, Ф. Надо помнить, что эти характеристики будут называться искусственными механическими характеристиками (в отличии от естественных характеристик, рассмотренных выше) и, кроме того, изменение вследствие колебания нагрузки не входит понятие регулирования ω.

Регулирование скорости вращения ДПТ с ПВ изменением питающего напряжения можно представить с помощью семейства механических характеристик, изображенных на рис. 7.

Рис. 7. Семейство механических Рис. 8. Семейство механических

характеристик ДПТ С ПВ характеристик ДПТ С ПВ

при U_Н >U₁ >U₂ >U₃ при R_P1< R_P2< R_P3

При этом величина напряжения питания регулируется, как правило, при

помощи теристорных преобразователей напряжения или систем "генератор-двигатель".

Семейство механических характеристик ДПТ с ПВ при различных значениях регулирующего сопротивления R_P представлено на рис. 8. И в этом случае также осуществляется регулирование ω вниз от основной скорости. Регулирование целесообразно проводить при постоянном моменте сопротивления М_с. Этот способ нашел достаточно широкое применение в крановых и тяговых ДПТ с ПВ.

Регулирование угловой скорости вращения изменением величины потока возбуждения выполняется шунтированием обмотки возбуждения дополнительным реостатом R_Ш, изменение положения которого влияет на ток возбуждения. Регулирование осуществляется в этом случае вверх от основной скорости вращения.

2.3. Тормозной режим работы ДПТ с ПВ.

Для ДПТ с ПВ возможно торможение противовключением и динамическое торможение. Противовключение изменением полярности, подводимого к якорю напряжения, производит интенсивное торможение и угловая скорость вращения электродвигателя падает до нуля. Если в этот момент времени не отключить двигатель от источника питания, то направление вращения изменится на противоположное, т.е. двигатель реверсируется. Это безусловно накладывает ограничения на применимость данного способа торможения. С энергетической точки зрения этот способ торможения не экономичен, т.к. большое количество энергии выделяется на добавочном сопротивлении R_р, которое необходимо включить в якорную цепь для ограничения бросков тормозного тока. Достоинство способа -высокая эффективность торможения.

В режиме динамического торможения якорь ДПТ с ПВ и обмотка возбуждения отключаются от сети и подключаются к тормозному сопротивлению R_т согласно схеме, представленной на рис. 9.

Как видно из схемы рис. 9, при таком торможении необходимо перекоммутировать ОВ таким образом, чтобы направление тока в ней оставалось неизменным. При этом вначале происходит интенсивное самовозбуждение, которое ведет к скачку тормозного момента. Такое ударное, а не "вязкое" торможение для ряда механизмов бывает неприемлемым.

Рис. 9. Электрическая схема включения ДПТ с

ПВ в режиме динамического торможения

2.4. Сравнение ДПТ с независимым и последовательным возбуждением.

Как следует из уравнения, для механических характеристик "жесткость" характеристик ДПТ с независимым возбуждением (ДПТ с НВ) выше, чем у ДПТ с ПВ, так как у них с увеличением нагрузки скорость вращения падает по линейному закону; но не так интенсивно, как это происходит у ДПТ с ПВ.

Это, а также то, что в режиме холостого хода ДПТ с ПВ идет в "разнос" и предопределяет большую применяемость ДПТ с НВ. Тем не менее, в ряде отраслей особенности ДПТ с ПВ являются предпочтительными. Это относится к различным тяговым электроприводам, при использовании в которых ДПТ с ПВ развиваются большие пусковые моменты и имеется возможность плавного регулирования скорости в широких пределах.

3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Стенд состоит из электромеханического агрегата и приборного блока, соединенных между собой по электрической схеме, представленной на лицевой панели стенда. Электромеханический агрегат представляет собой два состыкованных ДПТ. Один из них, исследуемый, ДПТ с ПВ (M1) типа МБМ-3А, второй, нагрузочный, ДПТ с НВ типа Д-200. Номинальное напряжение питания ДПТ U=27 В. Стенд подключается к трехфазной сети, имеющей частоту 50 Гц напряжение 380 В.

Перевод обозначений на панели:

POWER - энергия

SERIES MOTOR - ДПТ с ПВ

SEPARATELY EXITED MOTOR - ДПТ с НВ

SUPPLY VOLTAGE - напряжение питания

STEP VOLTAGE - ступенчатое напряжение

TACHOMETER - тахометр

SPEED, rad/s - частота вращения, рад/с

POWER SUPPLY - источник питания

CURRENT SOURCE - источник тока

HAND CONTROL - ручное управление

СМРТ - компьютер

PHOTOELECTRIC TRANSDUSER - фотоэлектрический преобразователь ARMATURE CURRENT - ток якоря

EXCITING CURRENT - ток возбуждения

ARMATURE VOLTAGE - напряжение якоря

ON - включено

OFF - выключено

DC MOTOR - двигатель постоянного тока