4.4. Завершение экспериментов

По завершении экспериментов отключите выключатель А6 нажатием кнопки "ОТКЛ.".

Отключите источник G1 нажатием на кнопку – гриб.

Отключите выключатель "СЕТЬ" возбудителя G3, выключателей А6 и А8, блока мультиметров Р1 и указателя частоты вращения Р3.

5. Результаты работы

• Используя результаты табл. 9.2, постройте характеристику холостого хода E₀ = f₁(I_В), состоящую из восходящей и нисходящей ветвей.

Используя данные табл. 9.3 постройте внешнюю характеристику U_Г = f₂(I_Н) при n = const, I_В = const .

Используя данные табл. 9.4 постройте регулировочную характеристику I_В = f₃(I_Н) при n = const, U_Я = const .

Контрольные вопросы

1. Какова конструкция генератора постоянного тока?

2. Какая зависимость называется характеристикой холо­стого хода генератора?

3. Чем объясняется различие между восходящей и нисходящей ветвями характеристики холостого хода?

4. Какая зависимость называется внешней характеристи­кой генератора?

5. Чем объясняется разность в величине напряжения на за жимах генератора при изменении нагрузки?

6. Как можно сохранить напряжение на зажимах гене­ратора постоянным при изменении нагрузки?

7. Какая зависимость называется регулировочной характеристикой генератора?

8. От чего зависит величина остаточной ЭДС генератора?

Лабораторная работа № 10

Исследование двигателя постоянного тока

с независимым возбуждением

Цель работы – изучение конструкции электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением, экспериментальное получение характеристик двигателя постоянного тока с независимым возбуждением, анализ экспериментальных характеристик.

1. Теоретические пояснения

Электрические машины постоянного тока в режиме двигателя

Устройство электрической машины постоянного тока

Электрическая  машина  постоянного  тока состоит из двух основных частей: неподвижной части (индуктора) и вращающейся части (якоря с барабанной обмоткой).

На рис. 10.1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока.

Рис. 10.1. Конструкция машины постоянного тока.

Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток. Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине.

Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5. Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Принцип действия машины постоянного тока

Рассмотрим работу машины постоянного тока на модели рис.10.2.

Проводники якорной обмотки расположены на поверхности якоря. Очистим внешние поверхности проводников от изоляции и наложим на проводники неподвижные контактные щетки.

   Контактные щетки размещены на линии геометрической нейтрали, проведенной посредине между полюсами.

Приведем якорь машины во вращение в направлении, указанном стрелкой.

Рис. 10.2. Модель машины постоянного тока (1 - полюсы индуктора, 2 - якорь,

3 - проводники, 4 - контактные щетки).

Определим направление ЭДС, индуктированных в проводниках якорной обмотки по правилу правой руки.

На рис.10.2 крестиком обозначены ЭДС, направленные от нас, точками - ЭДС, направленные к нам. Соединим проводники между собой так, чтобы ЭДС в них складывались. Для этого соединяют последовательно конец проводника, расположенного в зоне одного полюса с концом проводника, расположенного в зоне полюса противоположной полярности.

Два проводника, соединенные последовательно, образуют один виток или одну катушку. ЭДС проводников, расположенных в зоне одного полюса, различны по величине.

Наибольшая ЭДС индуктируется в проводнике, расположенном под срединой полюса. ЭДС, равна нулю в проводнике, расположенном на линии геометрической нейтрали.

Если соединить все проводники обмотки по определенному правилу последовательно, то результирующая ЭДС якорной обмотки равна нулю, ток в обмотке отсутствует. Контактные щетки делят якорную обмотку на две параллельные ветви.  В верхней параллельной ветви индуктируется ЭДС одного направления, в нижней параллельной ветви – противоположного направления. ЭДС, снимаемая контактными щетками, равна сумме электродвижущих сил проводников, расположенных между щетками.

На рис. 10.3 представлена схема замещения якорной обмотки.

Рис. 10.3. Схема замещения якорной обмотки.

В параллельных ветвях действуют одинаковые ЭДС, направленные встречно друг другу. При подключении к якорной обмотке сопротивления в параллельных ветвях возникают одинаковые токи , через сопротивление R_H протекает ток I_Я. ЭДС якорной обмотки пропорциональна частоте вращения якоря n2 и магнитному потоку индуктора Ф

                   .           (1)

где Се – константа.

В реальных электрических машинах постоянного тока используется специальное контактное устройство – коллектор. Коллектор устанавливается на одном валу с сердечником якоря и состоит из отдельных изолированных друг от друга и от вала якоря медных пластин. Каждая из пластин соединена с одним или несколькими проводниками якорной обмотки. На коллектор накладываются неподвижные контактные щетки. С помощью контактных щеток вращающаяся якорная обмотка соединяется с сетью постоянного тока или с нагрузкой.

Работа электрической машины постоянного тока в режиме двигателя

Под действием напряжения, подведенного к якорю двигателя, в обмотке якоря появится ток I_Я. При взаимодействии тока с магнитным полем индуктора возникает электромагнитный вращающий момент

, (2)

где C_M - коэффициент, зависящий от конструкции двигателя.

На рис. 10.4 изображен схематично двигатель постоянного тока и выделен проводник якорной обмотки.

Рис. 10.4. Схема работы двигателя.

   

Ток в проводнике направлен от нас. Направление электромагнитного вращающего момента определится по правилу левой руки. Якорь вращается против часовой стрелки. В проводниках якорной обмотки индуцируется ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки. Эта ЭДС направлена встречно току якоря, ее называют противо-ЭДС.

В установившемся режиме электромагнитный вращающий момент М_ЭМ уравновешивается противодействующим тормозным моментом М₂ механизма, приводимого во вращение .

Рис. 10.5. Схема замещения якорной обмотки двигателя.

На рис. 10.5 показана схема замещения якорной обмотки двигателя. ЭДС направлена встречно току якоря. В соответствии со вторым законом Кирхгофа

, откуда

.   (3)

Уравнение (3) называется основным уравнением двигателя.

Из уравнения (3) можно получить формулы:

, (4) 

.   (5)

Магнитный поток Ф зависит от тока возбуждения I_В, создаваемого в обмотке возбуждения. Из формулы (5) видно, что частоту вращения двигателя постоянного тока n₂ можно регулировать следующими способами:

изменением тока возбуждения с помощью реостата в цепи обмотки возбуждения;

изменением напряжения U на зажимах якорной обмотки.

Чтобы изменить направление вращения двигателя  на обратное  (реверсировать двигатель), необходимо изменить направление тока в обмотке якоря или индуктора.

Механические характеристики электродвигателей постоянного тока

Рассмотрим  двигатель с  независимым возбуждением в установившемся режиме работы (рис. 10.6). Обмотка возбуждения подключена к отдельному источнику. Магнитный поток Ф может регулироваться изменением тока реостатом возбуждения R_B или изменением питающего напряжения.

Основные уравнения:

, откуда

;

. (6)

Рис. 10.6. Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке

Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения якоря n₂ от момента на валу двигателя M2 при U = const и Iв = const.

Уравнение (6) является уравнением механической характеристики двигателя с параллельным возбуждением.

Эта характеристика является жесткой. С увеличением нагрузки (момента) частота вращения такого двигателя уменьшается по линейному закону в небольшой степени (рис. 10.7).

Рис. 10.7. Механическая характеристика двигателя с независимым возбуждением.

         

Рис. 10.8. Рабочие характеристики двигателя с независимым возбуждением.

Рабочие характеристики электродвигателей постоянного тока

Зависимости частоты вращения n, тока якоря I_Я, вращающего момента М и коэффициента полезного действия ή от полезной мощности Р₂ на валу двига­теля при постоянном напряжении цепей якоря и воз­буждения (I_Я = const) называют рабочими хара­ктеристиками.

Механическая и рабочие характеристики двигате­ля независимого возбуждения аналогичны харак­теристикам двигателя параллельного возбуждения.

Рабочие характеристики двигателей параллельного и независимого возбуждения представлены на рис. 10.8. Так как с увеличением полезной мощности Р₂ вращающий момент возрастает, частота вращения двигателя уменьшается (срани с механической характе­ристикой). С увеличением вращающего момента уве­личивается и пропорциональный ему ток якоря.

Маши­ну проектируют таким образом, чтобы наибольший КПД достигался при нагрузках, несколько меньших номинальной.

Рекомендуемая литература для самостоятельной работы

Касаткин А.С. Электротехника. Учеб. для вузов / А.С. Касаткин, М.В. Немцов. – 7-е изд., стер. – М.: Высш., 2002.

Электротехника и электрооборудование строительных процессов: Учебник для вузов /А.В. Воробьев М.: Изд-во АСВ. 1995.

Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники: Учеб. пособие для студ. неэлектротехн. спец. средних спец. Учеб. заведений. – 4-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2000.