Изучение принципа действия двигателя постоянного тока с независимым возбуждением

Исследование двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.

1.Цель работы.

Целью работы является изучение принципа действия двигателя постоянного тока с независимым возбуждением, исследование его механических характеристик, его регулировочных свойств и способов регулирования частоты вращения.

2. Краткие теоретические сведения.

Двигатель постоянного тока (ДПТ) состоит из:

- неподвижной части – статора

- вращающейся части – ротора.

       Для создания магнитного потока на внутренней поверхности статора укрепляют четное число полюсов с расположенными на них обмотками возбуждения, по которым пропускают постоянный ток.

        Ротор в ДПТ выполняет функцию якоря – элемент машины, вырабатывающий электродвижущую силу (ЭДС).

        Якорь расположен на валу ДПТ и выполнен из пакета тонких (0,3-0,5мм) листов электротехнической стали с пазами, в которых располагается обмотка якоря (ОЯ), присоединенная к коллекторным пластинам коллектора, выполняющего функцию механического инвертора (преобразователя постоянного напряжения в переменное).

          На коллектор налагается  система щеток, являющихся токосъемником с вращающегося коллектора.

           В зависимости от схемы включения обмоток возбуждения  различают ДПТ с независимым, параллельным и последовательным возбуждением.

           При независимом возбуждении обмотки возбуждения (ОВ) питаются от постоянного источника электрической энергии постоянного напряжения.

           При параллельном возбуждении – обмотка возбуждения включается параллельно обмотке якоря.

            При последовательном -  последовательно обмотке якоря. 

Анализ режимов работы двигателя можно произвести на базе основных уравнений, описывающих его работу.

U = Ея +  IяКя;                    (1)

Ея =  СеФ п;                           (2)

М =  СмФ1я;                                   (3)

где     U -   напряжение  питания  двигателя;

Ея -   противо   -   э.д.с.,   индуктируемая   в   обмотке   якоря;

Iя -   ток  якоря;

Rя - сопротивление обмотки якоря;

Се - конструктивная постоянная двигателя:

 PN                Се  = -----     (4)

  60а

Р - число пар главных полюсов двигателя;

N - число активных проводников якоря;

А - число параллельных ветвей обмотки якоря;

n - частота вращения якоря;

М - электромагнитный момент двигателя;

См - моментная постоянная двигателя:

PN

См =----- ;         (5)

2па

Ф - магнитный поток обмотки возбуждения.

Из первого уравнения легко определить ток якоря:

U– Ея               

Iя=----------;

Rя 

В начальный момент пуска двигателя, когда n = 0, в соответствии с уравнением Ея = СеФn = 0, ток якоря в режиме пуска равен:

Uя

Iяп =------ ,

Rя

и т.к. сопротивление якорной цепи мало, ток Iяп может достигать опасной для двигателя величины, поэтому силовые двигатели постоянного тока запускают либо с помощью пускового реостата, либо с помощьюрегулятора  который ограничивает пус­ковой ток до безопасного значения (обычно до (2,5...3)Iян). И только по мере разгона двигателя, сопровождаемого увеличением Ея, сопротивление пускового реостата уменьшается до 0.В этом случае пусковой ток определяется так:

U

Iяп =------- ;                (6)

Rя + Rп

Для обеспечения по возможности быстрого пуска при ограниченном токе якоря, ток возбуждения при пуске делают максимальным ( для увеличения потока Ф и, следовательно, увеличения Ея),

полностью выводя регулировочный реостат в цепи возбуждения двига­теля.

Из выражения для электромагнитного момента следует, что для изменения направления вращения двигатель можно использовать:

1)изменить направление тока якоря, не изменяя направление тока возбуждения;

2)изменить направление тока возбуждения, не изменяя направле­ние тока якоря.

Основные характеристики двигателя - механическая, регулировоч­ная и рабочие.

Механическая характеристика двигателя постоянного тока неза­висимого возбуждения:

Уравнение механической характеристики:

U        (Rя + Rд)M
 n=---- _ -  ---------_=  n  0   -  ▲ n          (7)           

Се ФСеСмФ²

     Здесь n0 – частота вращения ротора при идеальном холостом ходу (m=0)

▲n – изменение частоты вращения под воздействием момента.

Рн
Мн = 9,55------------ ;          (8)

nн

U

n₀ =----- ;                 (9)

СеФ

Из уравнения механической характеристики следует, что регули­ровать частоту вращения ДПТ можно изменением подводимого напряже­ния, изменением тока возбуждения и изменением величины добавочного сопротивления в цепи якоря.

Семейства механических характеристик при использовании перечисленных способов регулирования оборотов показаны на рис.1а,б,в.

n                     n                      n

 

 

           Uя3             Ф3                           Rq3

           Uя2       Ф2                                 Rq2

           Uя1                    Ф1               

                                                        Rq1

             M                     M                      M

     Uя3>Uя2>Uя1            Ф3<Ф2<Ф1              Rq3<Rq2<Rq1

    (а)                  (б)                     (В)

                     рис. 1 (а,б,в)

Регулирование оборотов уменьшением величины добавочного сопротивления является наиболее простым способом, но имеет ряд недостатков ограничивающих его применение.

1. Способ не экономичен из-за больших тепловых потерь в добавочном сопротивлении включенном последовательно в цепь якоря.

2. Регулирование оборотов при малых значениях момента, а тем более на холостом ходу (м=0) практически невозможно (см. рис 1в)

Регулирование частоты вращения изменением магнитного потока двигателя (т.е. изменением Iв) значительно лучше так как требует сравнительно маломощного регулятора установленного в цепь обмотки возбуждения, но тоже имеет недостатки связанные со сложностью значительного увеличения магнитного потока (из-за насыщения магнитной системы машины).

Уменьшение магнитного потока достигается легко, но оно обеспечивает регулирование оборотов только для n>nн .

Кроме того, недостатком способа является изменение жесткости механической характеристики при изменении магнитного потока (рис 1б)

Регулирование оборотов изменением напряжения Uя используется наиболее часто потому, как позволяет регулировать обороты ниже номинальных. Недостатком способа является необходимость регулирования полной мощности двигателя.  

Регулировочные свойства двигателя обычно характеризуются ре­гулировочной характеристикой п₀ = f(IB) либо Iя = f(Iв) при U= Uhи постоянной нагрузке на валу двигателя , в частности в режиме хо­лостого хода.

Мощность Р1 потребляемую двигателем электрической энергии из сети вычисляют по формуле:

P1 = Uя(Iя+Iв)         (10)

Мощность Р2 на валу двигателя определяют методом нагрузочного генератора, соединенного с исследуемым двигателем муфтой.

     Измеряя мощность генератора

Ро = UoIo,          (11)

работающего при напряжении Uoи токе Iо, и зная его к. п. д. для различных нагрузок, т.е. зависимость ц(Ро), находят  мощность на валу двигателя так: