Исследование механических характеристик двигателя постоянного тока последовательного возбуждения при питании от сети

Программа работы.

1.1. Подготовка к работе.

Пользуясь электромеханической характеристикой испытуемой машины, рассчитать и построить следующие характеристики двигателя:

1.1.1. Переходную характеристику.

1.1.2. Естественную механическую характеристику.

1.1.3. Искусственную механическую характеристику при заданном добавочном сопротивлении в цепи якоря R_П.

1.1.4. Механическую характеристику динамического торможения с самовозбуждением с добавочным сопротивлением в цепи якоря R_Т.

1.1.5. Искусственную механическую характеристику для сложной схемы включения при шунтировании якоря ИМ сопротивлением R_Ш = R_Т и последовательном сопротивлении R_П, имеющих те же значения, что и в п.п. 1.1.3 и 1.1.4.

1.2. Экспериментальные исследования.

1.2.1. Осуществить пуск двигателя.

1.2.2. Снять механические характеристики, перечисленные в п. 1.1.2 ¸ 1.1.5.

1.3. Составление отчёта.

Отчёт должен включать:

1.3.1. Принципиальную электрическую схему установки.

1.3.2. Паспортные данные машин.

1.3.3. Расчёты теоретических характеристик и таблицы с результатами экспериментальных исследований.

1.3.4. Графики теоретических и экспериментальных характеристик.

1.3.5. Анализ полученных результатов и выводы, которые должны включать оценку свойств двигателя по следующим показателям:

- вид механической характеристики в зависимости от схемы включения двигателя и ее параметров;

- жёсткости естественной и искусственных механических характеристик;

- обоснование причин расхождения теоретических и экспериментальных характеристик.

Расчет характеристик.

В электрических машинах с последовательным соединением обмоток якоря и возбуждения ток якоря I_Я является одновременно и током возбуждения I_В. Так как магнитный поток Ф нелинейно зависит от I_В, то уравнение механической характеристики (1.1) представляет собой сложную нелинейную зависимость w от M.

Механические характеристики рассчитывают при помощи кривой намагничивания, которая для двигателей последовательного возбуждения называется переходной характеристикой и определяется выражением:

C_МФ = f (I_B). (2.1)

Для двигателей последовательного возбуждения в паспортных данных приводится номинальная электромеханическая характеристика w = f (I), устанавливающая связь между скоростью и током. Используя ее, можно выполнить расчет переходной характеристики (рис. 2.1) по формуле:

, (2.2)

где U_н – номинальное напряжение питания двигателя, R_Д = R_Я + R_ПОВ. Расчёт следует вести, задаваясь рядом значений тока I_В=I в пределах, заданных электромеханической характеристикой. Результаты расчёта представляются в табличной форме (см. табл. 2.1).

C помощью переходной характеристики находят все механические характеристики двигателя (рис. 2.2), используя выражение для скорости и момента соответственно

w = E / С_МФ , (2.3)

М = С_МФ I_Я , (2.4)

где Е = U_Я - I_ЯR_Я – ЭДС вращения двигателя, U_Я – напряжение на якоре двигателя. Напряжение U_Я в общем случае не равно напряжению питания двигателя U и зависит от его схемы включения. Основанием для поиска U_Я является уравнение равновесия электрических напряжений в цепи двигателя (первый закон Кирхгофа).

Как следует из (2.3) и (2.4), механическая характеристика двигателя оказывается заданной в параметрической форме – и скорость, и момент в каждой точке вычисляются исходя из значения тока возбуждения I_В. При этом для расчета момента требуется еще и ток якоря I_Я. При отсутствии шунтирующих сопротивлений эти токи равны друг другу, но в сложных схемах включения двигателя это не так.

Результаты расчетов представить в виде таблиц 2.3 и 2.4.

Ниже приводятся паспортные данные двигателей.

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения – ДП100LУХЛ4

Номинальная механическая мощность, кВт – 0.55

Номинальная скорость вращения, об/мин – 1000

Номинальное напряжение питания, В – 220

Номинальный ток, А – 3.7

Сопротивление якоря при 75 град. С, Ом – 12

Сопротивление последовательной обмотки возбуждения при 75 град. С, Ом – 4.8

Вентильный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов – CFM71S

Номинальный момент, Нм - 5

Номинальный фазный ток, А - 2.2

Номинальное напряжение питания при соединении обмоток звездой, В - 380

Номинальная скорость вращения, об/мин – 2000

Расчёт естественной механической характеристики (кривая 1 на рис.2.2) сводится к определению момента М по (2.4) для принятых исходных значений I_Я и w, которые берутся из электромеханической характеристики.

Расчёт искусственной механической характеристики с добавочным сопротивлением в цепи якоря R_П (кривая 2 на рис.2.2) связан с определением (см. табл. 2.1)
ЭДС вращения Е = U_Н - I_ЯR, где R = R_Д + R_ПОВ, для ряда значений I_Я и нахождением скоростей двигателя по формуле (2.3). Расчет момента двигателя по (2.4) в данном случае дает совпадающий с естественной характеристикой результат и повторно не производится. Это – следствие параметрического задания механической характеристики.

Расчёт механической характеристики динамического торможения с самовозбуждением (кривая 4 на рис.2.2) ведут путем вычисления скорости w согласно (2.3), учитывая, что U = 0, т.е. Е = - I_ЯR, где R = R_Д + R_Т - полное сопротивление замкнутой цепи якоря двигателя. Токам задают те же значения, что и в предыдущих расчётах. Как и в предыдущем случае, расчет момента двигателя по (2.4) дает совпадающий с естественной характеристикой результат и повторно не производится.

Расчёт характеристик двигателя последовательного возбуждения в схеме с шунтированием якоря сопротивлением R_Ш и последовательным сопротивлением R_П связан с вычислением ЭДС вращения Е. Процедура расчёта представлена в табл. 2.2. Задаваясь значениями тока возбуждения I_В, определяются падения напряжений в последовательном и параллельном контурах, рассчитывются токи в указанных контурах и в цепи якоря, а затем рассчитывают Е. Далее по (2.3) и (2.4) определяют соответственно w и М и строят механическую характеристику (кривая 3 на рис. 2.2). Отметим, что в этой схеме I_В ¹ I_Я. Ток возбуждения равен сумме токов якоря и шунтирующей цепи. Благодаря этому, ток возбуждения всегда больше нуля, даже при I_Я = 0. Следовательно, могут быть получены не только скорость идеального холостого хода, но и режим рекуперативного торможения (I_Я < 0). В двигателях последовательного возбуждения это возможно только для данной схемы включения.

Таблица 2.1. Расчёт механических характеристик двигателя последовательного возбуждения

Исходные данные	Переходная характеристика	Момент	Искусственная характеристика с RП	Динамическое торможение с RТ
IВ = IЯ = I	w	IВRД	Е = UН - IВRД	СМФ	М = IЯ СМФ	IЯ R	Е = UН - IЯR	w = Е / СМФ	Е = - IЯR	w = Е / СМФ
А	рад/с	В	В	В×с	Нм	В	В	рад/с	В	рад/с

Таблица 2.2. Расчет механических характеристик двигателя последовательного возбуждения для схемы шунтирования якоря.

Исходные данные	Расчетные величины
IВ	СМФ	М	IВ (RПОВ + RП)	UШ = UН - IВ (RПОВ + RП)	IШ = UШ / RШ	IЯ = IВ - IШ	IЯRД	Е = UШ - IЯRД	w = Е / СМФ	М = СМФ IЯ
А	В×с	Нм	В	В	А	А	В	В	рад/с	Нм