МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К РАБОТЕ. Электродвигатель постоянного тока - это электромеханическое устройство, преобразующее электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.

Электродвигатель постоянного тока - это электромеханическое устройство, преобразующее электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.

Электродвигатели постоянного тока применяют в тех электроприводах, где требуется большой диапазон регулирования скорости, большая точность поддержания скорости вращения привода, регулирование скорости выше номинальной.

Работа электрического двигателя постоянного тока основана на явлении электромагнитной индукции. Из основ электротехники известно, что на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила, определяемая по правилу левой руки:

,

где - ток, протекающий по проводнику, - индукция магнитного поля; - длина проводника.

При пересечении проводником магнитных силовых линий машины в нем наводится электродвижущая сила, которая по отношению к току в проводнике направлена против него, поэтому она называется обратной или противодействующей (противо-э.д.с). Электрическая мощность в двигателе преобразуется в механическую и частично тратится на нагревание проводника.

Конструктивно все электрические двигатели постоянного тока состоят из индуктора и якоря, разделенных воздушным зазором. Основные составляющие электродвигателя постоянного тока представлены на рисунке 8.1.

Рис 8.1 Электродвигатель постоянного тока

1 - станина, 2 - главный полюс, 3 - обмотка возбуждения, 4 - полюсный наконечник, 5 - добавочный полюс, 6 - обмотка добавочного полюса,
7 - проводники компенсационной обмотки, 8 - воздушный зазор,
9 - магнитопровод якоря, 10 - проводники обмотки якоря, 11 - щетка, 12 - вал, 13 - коллектор, 14 - лапа.

Индуктор электродвигателя постоянного тока служит для создания неподвижного магнитного поля машины и состоит из станины, главных и добавочных полюсов. Станина служит для крепления основных и добавочных полюсов и является элементом магнитной цепи машины. На главных полюсах расположены обмотки возбуждения, предназначенные для создания магнитного поля машины, на добавочных полюсах - специальная обмотка, служащая для улучшения условий коммутации.

Якорь электродвигателя постоянного тока состоит из магнитной системы, собранной из отдельных листов, рабочей обмотки, уложенной в пазы, и коллектора служащего для подвода к рабочей обмотке постоянного тока.

Коллектор 13 представляет собой цилиндр, насаженный на вал двигателя и избранный из изолированных друг от друга медных пластин. На коллекторе имеются выступы-петушки, к которым припаяны концы секций обмотки якоря. Съем тока с коллектора осуществляется с помощью щеток, обеспечивающих скользящий контакт с коллектором. Щетки закреплены в щеткодержателях, которые удерживают их в определенном положении и обеспечивают необходимое нажатие щетки на поверхность коллектора. Щетки и щеткодержатели закреплены на траверсе, связанной с корпусом электродвигателя.

В процессе работы электродвигателя постоянного тока щетки 11, скользя по поверхности вращающегося коллектора 13, последовательно переходят с одной коллекторной пластины на другую. При этом происходит переключение параллельных секций обмотки якоря и изменение тока в них. Изменение тока происходит в то время, когда виток обмотки замкнут щеткой накоротко. Этот процесс переключения и явления, связанные с ним, называются коммутацией.

В момент коммутации в короткозамкнутой секции обмотки под влиянием собственного магнитного поля наводится э. д. с. самоиндукции. Результирующая э. д. с. вызывает в короткозамкнутой секции дополнительный ток, который создает неравномерное распределение плотности тока на контактной поверхности щеток. Это обстоятельство считается основной причиной искрения коллектора под щеткой. Качество коммутации оценивается по степени искрения под сбегающим краем щетки и определяется по шкале степеней искрения.

Создание в электрических машинах магнитного поля, необходимого для работы электродвигателя называется возбуждением электрических машин. Схемы возбуждения электродвигателей постоянного тока показаны на рисунке 8.2.

Рис 8.2 Схемы возбуждения электродвигателей постоянного тока:
а - независимое, б - последовательное, в - параллельное, г - смешанное

По способу возбуждения электрические двигатели постоянного тока делят на четыре группы:

1. С независимым возбуждением, у которых обмотка возбуждения НОВ питается от постороннего источника постоянного тока.

2. С параллельным возбуждением (шунтовые), у которых обмотка возбуждения ШОВ включается параллельно источнику питания обмотки якоря.

3. С последовательным возбуждением (сериесные), у которых обмотка возбуждения СОВ включена последовательно с якорной обмоткой.

4. Двигатели со смешанным возбуждением (компаундные), у которых имеется последовательная СОВ и параллельная ШОВ обмотки возбуждения.

Пуск двигателей постоянного тока достаточно сложен. Сопротивление цепи якоря невелико, поэтому пусковой ток превышает в 10 - 20 раз и более номинальный. Это может вызвать значительные электродинамические усилия в обмотке якоря и чрезмерный ее перегрев, поэтому пуск двигателя производят с помощью пусковых реостатов - активных сопротивлений, включаемых в цепь якоря. Двигатели мощностью до 1 кВт допускают прямой пуск.

Величина сопротивления пускового реостата выбирается по допустимому пусковому току двигателя. Реостат выполняют ступенчатым для улучшения плавности пуска электродвигателя.

В начале пуска вводится все сопротивление реостата. По мере увеличения скорости якоря возникает противо э. д. с, которая ограничивает пусковые токи. Постепенно выводя ступень за ступенью сопротивление реостата из цепи якоря, увеличивают подводимое к якорю напряжение.

Регулирование частоты вращения электродвигателя постоянного тока определяется формулой

,

где U - напряжение питающей сети; I_я - ток якоря; R_я - сопротивление цепи якоря; k_c - коэффициент, характеризующий магнитную систему; Ф - магнитный поток электродвигателя.

Из формулы видно, что частоту вращения электродвигателя постоянного тока можно регулировать тремя путями: изменением потока возбуждения электродвигателя, изменением подводимого к электродвигателю напряжения и изменением сопротивления в цепи якоря.

Наиболее широкое применение получили первые два способа регулирования, третий способ применяют редко: он неэкономичен, скорость двигателя при этом значительно зависит от колебаний нагрузки. Механические характеристики, которые при этом получаются, показаны на рисунке 8.3.

Рис 8.3 Механические характеристики электродвигателя постоянного тока при различных способах регулирования частоты вращения

Жирная прямая — это естественная зависимость скорости от момента на валу, или, что то же, от тока якоря. Прямая естественной механической характеристики несколько отклоняется от штриховой линии. Это отклонение называют нестабильностью. Группа непараллельных прямых I соответствует регулированию скорости возбуждением, параллельные прямые II получаются в результате изменения напряжения якоря, наконец, веер III — это результат введения в цепь якоря активного сопротивления.

Величину тока возбуждения двигателя постоянного тока можно регулировать с помощью реостата или любого устройства, активное сопротивление которого можно изменять по величине, например транзистора. При увеличении сопротивления в цепи ток возбуждения уменьшается, частота вращения двигателя увеличивается. При ослаблении магнитного потока механические характеристики располагаются выше естественной (т. е. выше характеристики при отсутствии реостата). Повышение частоты вращения двигателя вызывает усиление искрения под щетками. Кроме того, при работе электродвигателя с ослабленным потоком уменьшается устойчивость его работы, особенно при переменных нагрузках на валу. Поэтому пределы регулирования скорости таким способом не превышают
1,25 - 1,3 от номинальной.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. По конспекту лекций и на демонстрационном стенде изучите устройство, конструкцию всех узлов и принцип действия двигателей постоянного тока. При этом обратите внимание, что двигатели постоянного тока в конструктивном отношении не отличаются от генераторов постоянного тока. Эти машины обратимы и могут работать как в генераторном, так и в двигательном режимах. На неподвижной части статора расположены главные полюса с обмотками (катушками) возбуждения, которые могут включаться параллельно якорю, последовательно, а при установке на одном полюсе двух катушек - по смешанной схеме. Обмотка добавочных полюсов всегда включается последовательно якорю, так как предназначена для компенсации магнитного потока (реакции) якоря и улучшения коммутации тока. В целях снижения потерь мощности в магнитопроводе сердечники полюсов статора и якоря (подвижной части) набираются из тонких листов электротехнической стали. Обмотка якоря расположена в пазах, выводы (секции) которой припаяны к пластинам коллектора.

Таблица 8.1

Буквенно-цифровые обозначения обмоток электрических
машин постоянного тока

Наименование обмоток	Обозначение выводов
по ГОСТ 183-74	по ГОСТ 26772-85
начало	конец	начало	конец
Обмотка якоря	Я1	Я2	А1	А2
-//- добавочных полюсов	Д1	Д2	В1	В2
-//- компенсационная	К1	К2	С1	С2
Обмотка возбуждения последовательная	С1	С2	Д1	Д2
То же параллельная	Ш1	Ш2	Е1	Е2
-//- независимая	Н1	Н2	Г1	Г2

Следует отметить, что ГОСТ 26772-85 установлены две различные системы обозначения выводов обмоток машин постоянного тока: для машин, построенных после введения этого ГОСТа (с 01,01.87г.); для ранее выпущенных или модернизированных сохранена система обозначений по ГОСТ 183-74 (табл. 8.1).

2. Ознакомьтесь с испытательным стендом, электрической схемой, измерительными приборами, пусковым, регулировочными и нагрузочными реостатами, изучите инструкцию по технике безопасности в электролабораториях.

3.Запишите технические данные всех приборов, паспортные данные двигателя и нагрузочного генератора в табл. 8.2.

Таблица 8.2

Технические характеристики приборов и оборудования

Наименование прибора	Система прибора	Класс точности	Пределы измерений	Цена деления

4. В соответствии с принципиальной схемой (рис. 8.4) произведите монтаж электрической цепи для испытания двигателя постоянного тока параллельного возбуждения и снятия его характеристик. В качестве нагрузки к валу двигателя присоединен генератор постоянного тока. Вырабатываемая этим генератором электрическая энергия подается на реостаты R_H, где преобразуется в теплоту. Для измерения частоты вращения использован
тахогенератор BR, ЭДС которого пропорциональна частоте вращения, так как .

5. После проверки схемы лаборантом (преподавателем) произведите пуск двигателя, предварительно установив маховичок пускового реостата R_n в крайнее левое положение.

6. Не включая рубильник QF₂ обмотки возбуждения нагрузочного генератора G (холостой ход), исследуйте регулирование частоты вращения двигателя способами:

а) реостатным n(U) при , ;

б) полюсные n(I_B) при .

Рис. 8.4. Электрическая схема испытательного стенда с нагрузочным генератором

Произведите 6-7 измерений при каждом способе регулирования и, записав результаты в табл. 8.3 и 8.4, проверьте закономерность полученных результатов по уравнениям, характеристик:

частотной (скоростной)

,

механической

.

Таблица 8.3

Реостатное регулирование частоты вращения

, мин-1
, В
=...	const

Таблица 8.4

Полюсное регулирование частоты вращения

, мин-1
, А
	const

7. Включите рубильником QF₂ обмотку возбуждения r₁, r₂ нагрузочного генератора в сеть - 110В и снимите рабочие характеристики двигателя: M(P₂); n(P₂); I(P₂); h(P₂) при U=const и I_B=const для чего выключателями SA1-SA5 включите поочередно нагрузку R_H генератора; запишите результаты измерений тока якоря двигателя I_дв, частоту вращения n, напряжение и ток нагрузочного генератора (U_г и I_Я)в табл. 8.5.

8. Результаты испытаний двигателя покажите преподавателю, после чего произведите демонтаж схемы и приведите в порядок испытательный стенд.

Таблица 8.5

Результаты испытаний двигателя

Измерения	Вычисления
двигатель	генератор
, А	, мин-1	, В	, А	, В	, А	, Вт	, %	, Вт	, Н м	, %

9. По данным измерений выполните вычисления остальных параметров (см. табл. 8.5), необходимых для построения рабочих характеристик:

1) мощность, отдаваемую генератором на нагрузочные реостаты , Вт,

,

где и - напряжение и ток генератора ;

2) мощность на валу двигателя, Вт,

,

где - КПД генератора , определяемый в зависимости от развиваемой им мощности по графику ;

График зависимости КПД генератора от нагрузки смотри в приложении 1

3) мощность, потребляемую двигателем из сети, Вт,

,

где U_дв и I - напряжение и ток двигателя I=I_дв+I_B,здесь I_дв - ток в цепи якоря, I_B - ток в обмотке возбуждения;

4) коэффициент полезного действия двигателя, %,.

.

5) момент, развиваемый двигателем, Н м,