Рабочие характеристики двигателя

Рабочими характеристиками называются зависимости частоты враще­ния, вращающего момента и кпд от тока якоря, т. е. , , при и .

Примерный вид рабочих характеристик показан на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Примерный вид рабочих характеристик двигателя параллельного возбуждения

5.1.3. Регулировочная характеристика

Регулировочная характеристика (рис. 5.2) – это зависимость частоты вращения от тока возбуждения при ,
I_a = I_o.

Снимается характеристика следующим образом. При холостом ходе двигателя и номинальном напряже­нии постепенно уменьшают ток возбуждения.

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему двига­теля (рис. 5.3).

2. Ознакомиться с пускорегулирую­щей аппаратурой, порядком пуска и остановки двигателя, определить пределы измерения приборов.

Рис. 5.3. Схема двигателя параллельного возбуждения

3. Ознакомиться с принципом работы электромагнитного тормоза и по­рядком его включения в сеть.

4. Путем постепенной нагрузки двига­теля тормозом, начиная с холостого хода, снять рабочие ха­рактеристики двигателя. Данные испытаний двигателя под нагрузкой свести в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Исходные данные для построения рабочих характеристик

№ п/п	Измерено	Вычислено	Расчетные формулы
U, В	Ia, А	iв, А	М, кгм	n, об/мин	Р1, Вт	Р2, Вт
3 и т.д.									Р1 = U (Iа – I0) Р2 = 1,028 Мn h = Р2 / Р1

5. Путем постепенного уменьшения тока возбуждения при холостом ходе снять регулировочную характе­ристику двигателя при . Результаты опыта записать в табл. 5.2.

Таблица 5.2

Исходные данные для построения регулировочной характеристики

iв, А
n, об/мин

6. По результатам опытов построить рабочие и регулировочную характе­ристики.

7. Сформулировать краткие выводы.

Рекомендуемая литература: [1, §10.4; 2, §10].

Лабораторная работа № 6
ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Цель работы: изучение реостатного способа пуска двигателя последо­вательного возбуждения; способов регулирования скорости вращения; снятие рабочих, механических и регулировочной характеристик двигателя; определение кпд и оценка свойств двигателя на основании опытных дан­ных.

Содержание работы

У двигателей последовательного возбуждения обмотки якоря и возбуждения соединены последовательно. Особенностью этого двигателя является зависимость его магнитного потока от нагрузки. До режима маг­нитного насыщения магнитный поток полюсов пропорционален току якоря . Но так как вращающий момент двигателя , то можно считать, что он пропорционален квадрату тока якоря . Это обеспечивает хорошие тяговые свойства двигателя, способ­ность выдерживать большие перегрузки, что наиболее ценно при пуске двигателя. Поэтому двигатели последовательного возбуждения при­меняют в тех случаях, когда необходимы хорошие тяговые свойства, например, на электротранспорте, в электроподъемниках и т. п.

Зависимость частоты вращения от параметров двигателя и сети имеет вид . Пуск двигателя последовательного возбужде­ния производится путем постепенного увеличения напряжения. Данные двигатели ни в коем случае нельзя включать вхолостую или с малой нагрузкой, так как при малом токе, а сле­довательно, и магнитном потоке, скорость достигает недопустимых значе­ний (двигатель «идет вразнос»). Наименьшая допускаемая нагрузка на валу у этого двигателя обычно соответствует току .

Для изменения направления вращения надо изменить направление тока или в обмотке якоря, или в обмотке возбуждения, меняя местами концы проводов, присоединенных к одной из этих обмоток.

Нагрузка двигателя осуществляется электромагнитным тормозом.

Регулирование частоты вращения двигателя производят либо изменением напряжения, подведенного к нему, либо реостатом, включенным парал­лельно обмотке возбуждения (для ослабления магнитного поля). В этом случае ток двигателя равен сумме токов в шунтирующем сопротивлении и обмотке возбуждения, т. е. . Чем меньше шунтирующее сопротивление , тем меньше ток в обмотке возбуждения и тем больше частота вращения двигателя. Изменяя сопротивление , можно регулировать частоту вращения двигателя. Отношение называется коэффициентом ослабления поля.

Рабочие характеристики (рис. 6.1) – это зависимости частоты вращения двига­теля, вращающего момента, мощности на валу, кпд от тока при номинальном напряжении на зажимах двигателя, т. е. , , или f( ) при .

Механические характеристики – это зависимости частоты вращения от момента двигателя при неизменном напряжении на зажимах якоря, т. е. при .

На рис. 6.2 показаны механические ха­рактеристики двигателя последователь­ного возбуждения.

Рис. 6.2. Примерный вид механических характеристик: 1 – естественная механическая характе­ристика , Rш = ¥; 2 – искусственная механическая характе­ристика при пони­женном напряжении , Rш = ¥; 3 – искусственная механическая характеристика при = const и включенном сопротивлении Rш

Регулировочная характеристика показывает зависимость частоты вращения от приложенного напряжения при .

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему (рис. 6.3).

2. Ознакомиться с пускорегулирующей аппаратурой, порядком пуска и ос­тановки двигателя, принципом работы электромагнитного тор­моза.

3. Снять рабочие характеристики двигателя при полном поле (рубиль­ник разомкнут. Эти характеристики снимаются сле­дующим образом. После пуска двигателя устанавливают наимень­шее допустимое значение тормозного момента, при котором и .

Рис. 6.3. Схема электромагнитного двигателя последовательного возбуждения

Нагружая тормозом двигатель, делают замеры для пяти-шести точек нагрузки в пределах измерения тока , записывая значения частоты вращения , тока и силы на тормозе .

Данные заносятся в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Результаты исследования двигателя с нагрузкой

№ п/п	Измерено	Вычислено
U, В	Ia, А	n, об/мин	F, кг	, м	М, кгм	Р1, Вт	Р2, Вт	h, о.е.
и т. д.

– полезный вращающий момент, кгм; F – сила на плече тормоза, кг; – длина плеча тормоза, м; n – частота вращения двигателя, об/мин; Р₁ – потребляемая мощность, Вт, Р₁ = U I; Р₂ – полезная мощность, Вт, .

По данным построить рабочие характеристики.

4. Произвести тот же опыт при ослаблении поля, ключ К замкнут.

Результаты опыта свести в табл. 6.2 и построить характеристики совместно с рабочими характеристиками.

Таблица 6.2

Результаты исследования двигателя

при шунтировании обмотки возбуждения

№ п/п	U, В	Ia, А	iв, А	Iш, А	n, об/мин
и т. д.

– общий ток двигателя; – ток в шунтирующей цепи; – ток в обмотке возбуждения.

5. Снять и построить механические характеристики двигателя (естествен­ную и искусственную).

Естественная механическая характеристика может быть построена по уже имеющимся данным (табл. 6.1). Для снятия искусствен­ной механической характеристики необходимо снизить напряжение, приложенное к двигателю до .

Результаты измерений свести в табл. 6.3.

Таблица 6.3

Данные для построения механической характеристики

№ п/п	U, В	Ia, А	n, об/мин	М, кгм
и т. д.

6. Сформулировать краткие выводы.

Рекомендуемая литература: [1, §10.5; 2, §10].

Лабораторная работа № 7
ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРОВ
ПОСТОЯННОГО ТОКА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Цель работы: практическое ознакомление с порядком включения гене­раторов постоянного тока на параллельную работу и испытание их в ре­жиме внешней и регулировочной характеристик.

Содержание работы

В ряде случаев нагрузка питается двумя или несколькими генерато­рами постоянного тока, работающими совместно. Целесообразность совместной работы генераторов заключается в следующем:

а) в периоды малых нагрузок часть генераторов отключается, тем самым обеспечивается номинальная нагрузка генераторов, вследствие чего увеличивается их кпд;

б) достигается экономия эксплуатационных расходов;

в) имеется возможность выводить генераторы в плановый или аварий­ный ремонт без серьезного нарушения бесперебой­ного обеспечения потребителей электроэнергией;

г) мощность резервного генератора меньше, чем мощность генератора, предусмотренного для автономной работы на нагрузку.

Во избежание больших бросков тока генераторов и ударных механических усилий на первичный двигатель, что может повести к ава­рии, необходимо при включении генераторов на параллельную работу вы­полнить следующие условия:

а) полярность работающего и включаемого генераторов должна быть одинакова, т. е. плюс первого генератора и плюс второго генератора включаются на одну шину, а минус с минусом – на другую;

б) напряжения работающего и включаемого генераторов должны быть равны.

Кроме того, в рабочем режиме генераторы нужно нагружать про­порционально их номинальным мощностям; в противном случае отдель­ные генераторы будут перегружаться при недогрузке остальных.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с лабораторным стендом и записать паспортные дан­ные машин и измерительных приборов.

2. Собрать электрическую схему включения генераторов на параллель­ную работу (рис. 7.1); при сборке схемы необходимо подобрать регулировочные реостаты и измерительные приборы в соответствии с паспортными данными испытуемых машин.

Рис. 7.1. Схема исследования совместной работы генераторов парал­лельного возбуждения

3. При разомкнутых рубильниках 1, 2 и 3 пустить генераторы на холостом ходу и возбудить их до номинального напряжения путем измене­ния сопротивлений регулировочных реостатов , в цепях возбужде­ния генераторов. Если какой-либо из генераторов не возбуждается, сле­дует поменять концы обмотки возбуждения соответствующего генератора.

4. Добившись номинальных напряжений обоих генераторов, про­верить соблюдение полярности и затем включить генераторы на па­раллельную работу, замкнув рубильники 1 и 3.

Напряжение у потребителя определяется следующим выражением:

, ,

где , – эдс соответственно первого и второго генераторов; , – сопротивления обмоток якоря этих генераторов.

На основании вышеприведенных уравнений имеем:

; .

В момент включения рубильника 1 , поэтому .

Полярность генератора может быть определена при помощи магнито­электрического вольтметра. Вольтметр подключается поочередно к од­ному и к другому генератору.

5. Испытать генераторы в режиме внешней характеристики и построить кривые: , , , , где при , , , .

Замкнув рубильник 2, нагрузить параллельно работающие генера­торы, сохраняя сопротивления цепей возбуждения генераторов неизмен­ными. Данные опыта занести в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Опытные данные режима внешней характеристики

, А	, А	, А	, А

Анализируя внешние характеристики испытуемых машин, обратить внимание на распределение тока нагрузки между генераторами. Токи ге­нераторов должны изменяться пропорционально их номинальным мощностям. Сделать соответствующие выводы.

6. Испытать генераторы в режиме регулировочной характеристики пу­тем перевода нагрузки с одного генератора на другой при , и по данным опыта построить зависимости , .

Приведя во вращение один из генераторов, например № 2, возбудить его до напряжения при разомкнутых рубильниках 1, 2 и 3. Затем, замкнув рубильники 2 и 3, нагрузить генератор до номинального тока , поддерживая постоянным напряжение и частоту вращения . После этого включить на параллельную работу генератор № 1 способом, описан­ным выше.

Далее следует перевести нагрузку со второго генератора на первый, полностью разгрузив второй генератор, для чего необходимо посредством регулировочных реостатов , постепенно увеличивать ток возбуждения первого и уменьшать ток возбуждения второго. При токе якоря (момент, соответствую­щий отключению генератора № 2) питание нагрузки осуществляется гене­ратором № 1. Если же продолжать увеличение и уменьшение , то машина № 2 перейдет в режим двигателя.

Данные опыта занести в табл. 7.2.

Таблица 7.2

Результаты перевода нагрузки с одного генератора на другой

Режим работы	, А	, А	, А	, А	, А	, В
,
,

Окончание табл. 7.2

Режим работы	, А	, А	, А	, А	, А	, В
,
,
,

7. На основании полученных данных и построенных графиков составить краткие основные выводы.

Рекомендуемая литература: [1, §9.7; 2, §5.9].

Лабораторная работа № 8
ОПРЕДЕЛЕНИЕ Коэффициента полезного
действия МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА
МЕТОДОМ ВОЗВРАТНОЙ РАБОТЫ

Цель работы: изучение теоретически и освоение практически наиболее распространенного косвенного метода определения кпд машин постоянного тока любой мощности.

Содержание работы

Суть метода возвратной работы заключается в том, что две однотипные машины одинаковой мощности связаны между собой механически и электрически, причем одна из них работает двигателем, а другая – генератором парал­лельно с сетью. Генератор возвращает в сеть энергию, потребляемую двигателем из сети, за исключением суммарных потерь в обеих машинах, т. е. из сети потребляется только мощность, затрачиваемая на компенса­цию суммарных потерь мощности в агрегате.

Таким образом, задача по определению кпд сводится к измерению величины мощности, потребляемой из сети агрегатом. Половина этой мощности и есть суммарные потери в одной машине. Зная эти потери, легко рассчитать кпд машины по выражениям:

или ,

где – суммарные потери мощности в машине; – потребляемая мощность; – полезная мощность.

Первым выражением удобно пользоваться при определении кпд дви­гателей, а вторым – генераторов.

Метод возвратной работы особенно удобно применять тогда, когда ис­пытываются машины большой мощности. В этом случае нет необходимости иметь мощную сеть, а также механические тормозные устройства, рассчитанные на полную мощность машины, при испытании ее в режиме двигателя или же большие нагрузочные реостаты при испыта­нии машины в режиме генератора, что практически не всегда можно и осуществить. Кроме того, прямое испытание машин связано со значитель­ным расходом электроэнергии.

Порядок выполнения работы

1. Собрать монтажную схему испытания машины методом возвратной ра­боты согласно принципиальной схеме, приведенной на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Схема опыта определения кпд машины методом возвратной работы

2. Пустить двигатель в ход, возбудить генератор и включить его на па­раллельную работу с сетью, для чего необходимо выполнить сле­дующие условия:

а) уравнять напряжения генератора и сети, что проверяется по показа­ниям вольтметров, включенных на зажимы генератора и двигателя (сети);

б) проверить соответствие полярности генератора полярности сети. Проверка производится с помощью вольт­метра, включенного на зажимы ключа , при выполненном вышеназванном условии. Вольтметр должен быть рассчитан на двойное напряжение сети. Если по­лярность сети и генератора одинакова, стрелка вольтметра останется на нуле, а если полярность различна, то вольтметр покажет удвоенное на­пряжение сети.

3. Провести испытание двигателя по методу возвратной работы. Для этого нужно постепенно увеличивать ток возбуждения генератора до пол­ной загрузки двигателя. Скорость вращения двигателя при этом следует поддерживать постоянной путем изменения тока возбуждения двигателя.

Результаты испытания свести в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Исходные данные для определения кпд

№ п/п	Измерено	Вычислено
, В	, А	, А	, А	, А	, А	, Вт	, Вт	, Вт	, о. е.	, о. е.
и т. д.

Расчетные формулы: , , , , , , а так как , то .

Те же значения кпд должны получиться и по выражениям, приведен­ным в начале работы, например , здесь вместо
сле­дует взять половину мощности, потребляемой из сети, т. е. , а вместо – мощность генератора, т. е. , тогда .

4. Остановить агрегат. Для остановки агрегата необходимо:

а) снять нагрузку с генератора путем уменьшения тока его возбуждения;

б) после снятия нагрузки отключить генератор от сети, выключив рубильник K;

в) остановить двигатель.

5. По данным испытаний и расчетов построить следующие графические зависимости:

, ,

, .

6. Сформулировать краткие выводы.

Рекомендуемая литература: [1, §7.2; 2, §1.16].

Лабораторная работа № 9
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАШИННОГО УСИЛИТЕЛЯ
С ПОПЕРЕЧНЫМ ПОЛЕМ

Цель работы: ознакомление с принципом действия электромашинного усилителя (ЭМУ), его основ­ными характеристиками и методами их снятия.

Содержание работы

ЭМУ поперечного поля представляет собой специальные генераторы постоянного тока, в которых поперечный магнитный поток реакции якоря тока цепи короткозамкнутых щеток служит главным потоком возбуждения. ЭМУ приводятся во вращение встроенными в их корпус (или отдельными) высокоскоростными асинхронными двигателями или двигателями посто­янного тока со скоростью от 1450 до 5000 об/мин.

Входная мощность ЭМУ составляет 0,43¸0,9 Вт, а выходная – от 1¸11 кВт и более.

ЭМУ – двухполюсная машина, на коллекторе ее установлены под углом 90° относительно друг друга две пары щеток (рис. 9.1). Щетки поперечной оси А–А замкнуты накоротко, а к щеткам продольной оси В–В присоеди­няется нагрузка. На статоре ЭМУ расположено несколько обмо­ток:

1) независимого возбуждения, называемая обмоткой управле­ния или задающей обмоткой (ОУ–1);

2) дополнительных полюсов (ДП), служащая для улучшения коммутации машины;

3) компенсационная (КО), служащая для компенсации размагни­чивающего действия продольной (по оси щеток В–В) реакции якоря;

4) от одной до трех обмоток управления (ОУ–2, ОУ–3, ОУ–4), авто­матически воздействующих на магнитный поток обмотки возбуждения (ОУ–1) при изменении тех или иных параметров, с которыми их связы­вают регулирующие схемы.

Принцип работы ЭМУ заключается в следующем: при протекании по обмотке возбуждения (управления) ОУ–1 небольшого тока управления (обычно порядка 10–20 мА) возникает магнитный поток управления и во вращающемся якоре наводится относительно небольшая эдс (несколько вольт). Направление этой эдс в проводниках условно пока­зано знаками (рис. 9.1), расположенными в кружках, которыми обозначена об­мотка якоря. Так как поперечные щетки А–А замкнуты накоротко, то в об­мотке якоря возникает значительный ток , создающий поперечный магнит­ный поток , соответствующий по величине потоку возбуждения обычных генераторов, равной с ЭМУ мощностью.

Рис. 9.1 Принципиальная схема ЭМУ с поперечным полем

При пересечении проводниками якоря силовых линий этого потока в них наводится эдс , направление которой отмечено знаками, показан­ными на рис. 9.1 рядом с проводниками якоря.

Наибольшее значение эдс , равное обычно 110–220 В, получа­ется между продольными щетками В–В.

При подсоединении к щеткам В–В внешней нагрузки по обмотке якоря потечет ток нагрузки , который создает продольный поток реак­ции якоря , направленный по оси щеток В–В встречно потоку управле­ния . Для того, чтобы поток управления не изменялся от продольного потока реакции якоря , в ЭМУ предусмотрена его компенса­ция с помощью компенсационной обмотки КО, включаемой последова­тельно в цепь тока нагрузки. Создаваемый компенсационной обмоткой по­ток направлен так же, как и поток . Ввиду того, что потоки и значительно превосходят по величине поток управления , то компенсация должна быть очень точна, что осуществляется путем шунтирования компенсаци­онной обмотки реостатом (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Схема испытания ЭМУ

Отдаваемая ЭМУ мощность регулируется изменением магнит­ного потока управления путем изменения тока в обмотке управления. А так как всякое изменение небольшого потока вызывает возникнове­ние тока и потока , во много раз превосходящего по величине поток , то, следовательно, небольшому изменению мощности управления соот­ветствует большое изменение мощности на выходе ЭМУ.

Коэффициентом усиления ЭМУ называется отношение управляемой мощности к мощности сигнала управления .

Величина ЭМУ поперечного поля колеблется в пределах (1¸4)×10⁴.

Исследование ЭМУ заключается в снятии его основных характеристик, а именно: характеристики холостого хода, внешней характеристики, а также в определении коэффициента усиления .

Характеристикой холостого хода ЭМУ называется зависимость напря­жения на зажимах машины от тока возбуждения при разомкнутой цепи нагрузки: при и .

Снимается она следующим образом: напряжение на вы­ходе ЭМУ повыша­ется до 1,3 номи­нального. Затем при постепенном умень­шении тока управления снимается нисходя­щая ветвь (рис. 9.3, кривая 1) при прямой полярности тока управления .

Далее меняется полярность и снимаются восходящая 2 и нисходящая 3 ветви обратной полярности, затем снова меняется полярность и снима­ется восходящая ветвь 4.

Внешней характеристикой называется зависимость напряжения на за­жимах от тока нагрузки при постоянном токе возбуждения, соответ­ствующем номинальному напряжению при холостом ходе и постоянной скорости вращения: при , . Снимается характеристика путем постепенного увеличения тока нагрузки.

Вследствие того, что магнитный поток компенсационной обмотки направлен так же, как и поток , то компенсационная обмотка оказывает такое же влияние на величину выходного напряжения, как последователь­ная обмотка в генераторах смешанного возбуждения. Поэтому внешние характеристики ЭМУ аналогичны внешним характеристикам генераторов смешанного возбуждения (рис. 9.4).

При полной компенсации, ко­гда ампервитки компенсационной обмотки равны ампервиткам про­дольной реак­ции якоря, т. е. , эдс ЭМУ незначительно уменьша­ется только за счет падения напряже­ния в про­дольной цепи якоря (рис. 9.4, кри­­вая 1).

При недокомпенсации, т. е. когда , внешняя характе­ристика имеет вид кривой 2, а при перекомпенсации, т. е. когда – кривой 3. Перекомпенсация, как правило, не допускается.

Обычно принимают такую степень компенсации, чтобы при росте на­грузки от до напряжение машины снижалось на 15¸20 % его номинального значения.

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему испытания ЭМУ (см. рис. 9.2).

Снять характеристику холостого хода ЭМУ. Результаты свести в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Результаты снятия характеристики холостого хода

№ п/п	, mА	, В	, В	Примечание
				Нисходящая ветвь 1
				Восходящая ветвь 2
				Нисходящая ветвь 3
				Восходящая ветвь 4

3. Снять внешние характеристики ЭМУ для нормальной компенсации, пе­рекомпенсации, недокомпенсации. Результаты свести в табл. 9.2.

Таблица 9.2

Опытные данные внешних характеристик

№ п/п	, B	, A	, mA	, B	Примечание
					Нормальная компенсация – среднее положение реостата

Окончание табл. 9.2

Наши рекомендации

№ п/п	, B	, A	, mA	, B	Примечание