DPT_metodicheskie_ukazania (Методические указания к выполнению лабы №4 (Двигатели постоянного тока))

МГТУ им. Н. Э. БауманаКрасовский А. Б., Васюков С. А., Мисеюк О. И., Трунин Ю. В.Исследование двигателя постоянного тока независимого возбужденияМосква 20142Цель работы – экспериментальное исследование основных свойств ихарактеристик электрических двигателей постоянного тока независимого возбуждения.1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ1.1. Общие сведенияЭлектрические двигатели постоянного тока (ДПТ) отличает от другихдвигателей наличие специального механического коммутатора – коллектора.Несмотря на то, что из-за этого ДПТ менее надежны и дороже двигателей переменного тока, имеют большие габариты, они находят применение, когда ихособые свойства имеют решающее значение. Часто ДПТ обладают преимуществами перед двигателями переменного тока по диапазону и плавности регулирования частоты вращения, по перегрузочной способности и экономичности, по возможности получения характеристик специального вида, и т.д.В настоящее время ДПТ применяют в электроприводах прокатных станов, различных подъемных механизмов, металлообрабатывающих станков,роботов, на транспорте и т.д.

ДПТ небольшой мощности используют в различных автоматических устройствах.1.2. Устройство и принцип действия ДПТВнешний вид двигателя постоянного тока показан на рис. 1, а его поперечный разрез в упрощенном виде – на рис. 2. Как и любая электрическая машина, он состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор неподвижен, ротор вращается. Статор состоит из массивного стального корпуса 1, ккоторому прикреплены главные полюсы 2 и дополнительные полюсы 4. Главные полюсы 2 имеют полюсные наконечники, служащие для равномерногораспределения магнитной индукции по окружности якоря. На главных полюсах размещают обмотки возбуждения 3, а на дополнительных – обмотки дополнительных полюсов 5.3Рис. 1.

Внешний вид двигателя постоянного токаРис. 2. Поперечный разрез ДПТ (условное изображение): 1 – корпус; 2 –главные полюсы; 3 – обмотка возбуждения; 4 – дополнительные полюсы; 5 –4обмотка дополнительных полюсов; 6 – якорь; 7 – обмотка якоря; 8 – щетки; 9– коллектор; 10 – вал.В пазах, расположенных на поверхности якоря 6, размещается обмоткаякоря 7, выводы от которой присоединяют к расположенному на валу 10 коллектору 9. К коллектору с помощью пружин прижимаются графитные, угольно-графитные или медно-графитные щетки 8.Обмотка возбуждения машины питается постоянным током и служитдля создания основного магнитного поля, показанного на рис.

2 условно с помощью двух силовых линий, изображенных пунктиром. Дополнительные полюсы 4 уменьшают искрение между щетками и коллектором. Обмотку дополнительных полюсов 5 соединяют последовательно с обмоткой якоря 7 и наэлектрических схемах часто не изображают. На рис. 2 показана машина постоянного тока с двумя главными полюсами.

В зависимости от мощности и напряжения машины могут иметь и большее число полюсов. При этом соответственно увеличивается число комплектов щеток и дополнительных полюсов.У ДПТ с независимым возбуждением, как показано на рис. 3, электрические цепи обмоток якоря 1 и возбуждения 2 электрически не связаны и подключаются к различным источникам питания с напряжениями U и U в . Какправило, U  U в . В общем случае последовательно с якорной обмоткой и обмоткой возбуждения могут быть включены дополнительные резисторы rд и rр(см.

рис.3). Их назначение будет пояснено далее.Двигатели относительно небольшой мощности обычно изготавливаютна одинаковые напряжения U и U в . В этом случае цепи обмоток якоря и возбуждения соединяют между собой параллельно и подключают к общему источнику питания с напряжением U  U в . Такие ДПТ называют двигателямипараллельного возбуждения. Если мощность источника питания значительнопревышает мощность двигателя, то процессы в якорной обмотке и в обмоткевозбуждения протекают независимо. Поэтому такие двигатели являются частным случаем ДПТ независимого возбуждения и их свойства одинаковы.5Рис.

3. Электрическая схема подключения ДПТ независимого возбуждения: 1 – цепь обмотки якоря; 2 – цепь обмотки возбуждения.При подключении двигателя к источнику питания в обмотке якоря протекает ток Iя, который взаимодействует с магнитным полем, создаваемым обмоткой возбуждения. В результате этого возникает электромагнитный момент,действующий на якорьМ  k I я ,(1)где k – коэффициент, зависящий от конструктивных параметров машины; Ф –магнитный поток одного полюса.При превышении моментом М момента сопротивления нагрузки Мсякорь начинает вращаться с угловой скоростью  и в нем наводится ЭДСE  k ω(2)У двигателей полярность ЭДС Е противоположна полярности напряжения источника U, поэтому с ростом скорости  ток Iя уменьшаетсяIя U  E U  k  Ф ,rяrя(3)6где rя – сопротивление якорной цепи двигателя при rд = 0.Из соотношения (1) следует, что это приводит к снижению электромагнитного момента.

При равенстве моментов M и M с скорость вращения якоряперестает изменяться. Чтобы изменить направление вращения двигателя следует изменить полярность напряжения U . Это приведет к изменению направления тока I я и направления момента M . Двигатель начнет замедляться, а затем разгонится в обратную сторону.1.3. Пуск двигателяВ первое мгновение при пуске скорость двигателя  = 0 и в соответствии с формулой (2) ЭДС якоря Е = 0.

Поэтому при подключении якоря двигателя к напряжению U пусковой ток якоря I яп , как следует из формулы (3), ограничивается только сопротивлением якорной цепи rя (при rд=0)I яп U.rя(4)Значение сопротивления rя относительно невелико (обычно в пределах 1Ом), поэтому если напряжение U близко по значению к номинальному напряжению, значение пускового тока I яп может в (10–30) раз превышать номинальное значение тока двигателя I ян .

Это недопустимо, поскольку ведет ксильному искрению и разрушению коллектора, а при частых пусках возможенперегрев обмотки якоря.Как следует из формулы (4), одним из вариантов ограничения пусковоготока является увеличение суммарного сопротивления якорной цепи ДПТ принеизменном значении напряжения U. Для этого последовательно с якоремвключают дополнительный пусковой реостат (на рис.

3 не показан), которыйобычно выполняют в виде нескольких ступеней. Ступени пускового реостатавыключают поэтапно по мере увеличения скорости двигателя. При этом в якоре двигателя за время пуска могут выделяться значительные потери мощности.7Более экономичным способом снижения пускового тока I яп являетсяпуск ДПТ при плавном увеличении напряжения на якоре U по мере разгонадвигателя и увеличения ЭДС Е. Как следует из выражения (3), можно подобрать такой темп увеличения напряжения U, при котором ток I я на протяжениивсего времени пуска не будет превышать допустимого значения.

В лабораторной установке, используемой при выполнении данной работы, используется именно этот более экономичный способ ограничения пускового тока.1.4. Технические данные двигателейВ паспорте ДПТ независимого возбуждения указываются следующиеноминальные величины: напряжение якоря U н , ток якоря I ян , мощность навалу Pн , частота вращения nн , КПД  н , ток возбуждения I вн .Под номинальным напряжением U н понимают напряжение, на котороерассчитаны обмотка якоря и коллектор. Номинальные значения токов якоряI ян и возбуждения I вн – максимальные длительно допустимые их значения,при которых двигатель не перегревается выше допустимой температуры.Номинальная мощность Pн – это мощность, развиваемая двигателем на валупри работе с номинальным моментом M н и номинальной скоростью вращения н , т.е.Pн  M нн M н nн9,55(5)Значение номинальной скорости н в сек-1 связано с номинальной частотойвращения nн в об/мин соотношениемн nн30,(6)Частота вращения nн или скорость н и КПД  н соответствуют работедвигателя с токами I ян и I вн , напряжением U н без дополнительных резисторов в цепях двигателя (rд = 0, rр = 0 на рис.

3).8Мощность, потребляемая двигателем из сети в номинальном режиме,определяется какP1н  U н  I ян  U в  I вн ,(7)а номинальный КПДн P2н.P1н(8)Соотношения (5) – (8) справедливы также и для любого режима работы ДПТ,отличного от номинального режима.1.5. Электромеханические и механические характеристики. Регулирование скорости двигателяПри анализе свойств ДПТ широко используют электромеханические(Iя) и механические (M) характеристики.

Если к обмоткам двигателя подведены номинальные напряжения (U=Uн, Uв=Uвн) и отсутствуют дополнительные резисторы в его цепях (rд=0, rр=0), то двигатель имеет характеристики, называемые естественными характеристиками.На естественных характеристиках находятся точки, соответствующиеноминальному режиму работы ДПТ.

Если же U  U н , I в  I вн , либо в цепиякоря rд  0 , то механические характеристики, соответствующие этим условиям, называются искусственными. На этих характеристиках двигатель работаетпри пуске, торможении, реверсе и регулировании скорости вращения.Преобразовав выражение (3) относительно скорости , получим уравнение электромеханической характеристики (Iя):I rU я я,k Ф k Ф(9)а с учетом формулы (1) – уравнение механической характеристики (M):M  rяU.k  Ф (k  Ф)2(10)При экспериментальных исследованиях измерения и количественныесопоставления часто удобнее проводить, оперируя частотой вращения n в9об/мин вместо угловой скорости  в сек-1.

Тогда уравнение электромеханической характеристики записывают в виде n( I я )nI rU я я,kЕ  Ф kЕ  Ф(11)а уравнение механической характеристики в виде n(M)nM  rяU.k Е  Ф k Е  kм  Ф 2(12)причем конструктивные коэффициенты связаны соотношением kE = 0.105kМ =0.105k. Из соотношений (9), (10) или (11), (12) видно, что при неизменных U,Ф, rя эти характеристики представляют собой прямые наклонные линии. Реально вследствие некоторого влияния тока якоря на результирующий потокдвигателя (называемого реакцией якоря) эти характеристики несколько отличаются от прямых линий.Режим работы двигателя при M  0 называют идеальным холостым ходом. Соответствующая этому режиму скорость идеального холостого хода определяется из (10)0 U,k Ф(13)а частота вращения идеального холостого хода, соответственно, из (12)n0 U.kЕ  Ф(14)В качестве примера естественная механическая характеристика n(M ) показанана рис.