С последовательным возбуждением
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Экспериментальное снятие скоростной, моментной механической ирабочих характеристик двигателя с последовательным возбуждением.
2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Удвигателя с последовательным возбуждением обмотка возбуждения соединена последовательно с обмоткой якоря (рис.6.1), поэтому ток I, потребляемый из сети, одновременно является током в обмотке якоря IЯ ив обмотке возбуждения:
I = IЯ = IВ.
Поэтому с изменением нагрузки на валу двигателя, ток, потребляемый из сети I, а, следовательно, ток возбуждения IВ и ток в цепи якоря IЯ также изменяются.
Эксплуатационные свойства двигателя с последовательным возбуждением, применяемые на воздушных судах, определяют скоростная, моментная, механическая и рабочие характеристики.
Скоростная характеристика определяет зависимость частоты вращения двигателя n от тока I при постоянном напряжении цепи якоря U, то есть n = f(I)при U=const.
Частота вращения двигателя равна:
где rЯ - сопротивление цепи якоря (обмотки ротора);
СЕ - постоянный конструктивный коэффициент;
Ф0 - магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения
Ф0 = Кф∙IВ,
и так как IВ - I, то Ф0 - Кф∙I, где Кф - постоянный для данной машины коэффициент. Тогда скорость вращения двигателя с учетом того, что Iя = I , определяется как
или
Здесь =const и, следовательно, вид скоростной характеристики будет носить гиперболический характер (рис.6.2). Как видно из рисунка при малой нагрузке скорость двигателя резко увеличивается (в диапазоне I1 - I2) и может превысить предельную допустимую величину nmax. Это опасное явление называется "разносом" двигателя и может привести к его разрушению. Поэтому такие двигатели не применяются в тех системах, где возможны "сбросы" нагрузки, то есть ее резкое уменьшение. Применяются они в следящих системах ВС, где исполнительными механизмами являются червячные передачи или планетарные механизмы (например, в системе управления триммерами ).
Моментная характеристика определяет зависимость электромагнитного вращающего момента М от тока I при постоянном питающем напряжении U:
М = f {I}, при U = const .
Уравнение электромагнитного вращающего момента имеет вид:
М = Cm∙ IЯ∙ Ф0 ,
где Cm - постоянный коэффициент;
IЯ = I - ток в цепи якоря;
Ф0 - магнитный поток ОВ.
Учитывая, что Ф0 = Кф∙I , уравнение для момента перепишется:
М = Сm∙Кф∙IЯ2.
Моментная характеристика, исходя из последнего уравнения, имеет вид параболы (рис.6.3).
Механическая характеристика определяет зависимость частоты вращения двигателя n от электромагнитного вращающего момента при постоянном напряжении U, то есть
n = f(М) при U - const .
Сделав некоторые преобразования в уравнении для n (выразив ток через момент), можно получить уравнение связи n и М в виде:
где C1 и C2 - постоянные константы.
Таким образом, механическая характеристика двигателя с последовательным возбуждением представляет собой кривую, похожую на гиперболу, асимптотически приближающуюся к оси ординат (рис.6.4). При увеличении нагрузки на валу двигателя (увеличении М) ток возрастает относительно медленно и обратно пропорционально ему уменьшается частота вращения.
Рабочие характеристики устанавливают зависимость частоты вращения двигателя n, электромагнитного момента m, тока в цепи якоря IЯ = I и коэффициента полезного действия (КПД) от полезной мощности на валу двигателя РП при неизменном напряжении питания U, то есть
n = (Pn); М = (Pn); I = f(Pn); η = f(Pn) при U = const.
Полезная мощность определяется по формуле:
Pn = 1,028∙Mn·10-5, Вт.
КПД двигателя определяется выражением:
где Р1 = U·I - полная мощность двигателя (мощность, потребляемая двигателем из сети), P1=U·I,Bt;
PП = P1-ΔР
ΔР - мощность потерь механических (трение) в стали и меди,
ΔР – РМЕХ + РС + РМ .
При небольшой нагрузке суммарные потери Р остаются практически постоянными, КПД при повышении полезной мощности также повышается, так как РП растет быстрее, чем Р (рис.6.5).
Максимальный КПД ηmax наступает при равенстве потерь в стали (магнитопроводе) потерям в меди (обмотках двигателя), то есть при РС = РМ. Затем при дальнейшем увеличении Р начинают преобладать потери в меди ( РМ>РС ) и КПД начнет уменьшаться.
При увеличении нагрузки (увеличении РП соответственно) потребляемый ток увеличивается, следовательно, увеличивается и электромагнитный момент М по квадратичной зависимости, а частота вращения двигателя уменьшается.
3. ПРОГРАММА РАБОТЫ
1. Провести опыты, по экспериментальным данным построить характеристики двигателя с последовательным возбуждением при постоянном напряжении сети:
- механическую n = f (М);
-скоростную n = f (I);
- моментную М = f (I).
2. Рассчитать по данным опыта величины РП,η,Р1 и построить рабочие характеристики двигателя:
n=f(Pn);M=f(Pn); I = f(Pn) η = f(Pn).
Электрическая схема установки (рис.6.6) состоит из схемы двигателя, схемы магнитного электротормоза, регулирующих устройств (переменные резисторы RД, RЭТ и АТР), электроизмерительных приборов и источника питания постоянного тока В .
Схема двигателя состоит из двигателя М с якорной обмоткой и последовательно включенной обмотки возбуждения ОВ. Напряжение питания подается и регулируется с помощью линейного автотрансформатора ЛАТР. Реостат РД регулирует ток в цепи якоря двигателя и обмотки возбуждения.
Измерение питающего напряжения (напряжения в цепи якоря) производится вольтметром PY1, а ток измеряется амперметром PA1.
Магнитный электротормоз служит для создания нагрузочного момента, равного полезному вращающему моменту М. Рабочая обмотка электротормоза ЭТ питается от источника постоянного тока через потенциометр RЭТ.
Включение питания установки осуществляется выключателем SAI. Частота вращения двигателя измеряется цифровым частотомером (на схеме не указан, на лабораторном стенде он находится в верхнем левом углу).
4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Подключить питание к схеме путем включения выключателя SA1.
2. Запустить двигатель путем изменения напряжения питания до 60В с помощью автотрансформатора ЛАТР.
3. Установить потенциометром ток в цепи, якоря I = IЯ 0,5-О.6А.
4. Для нагрузочного момента МП = 0 измерить n,I,U.
5. Установить нагрузочные моменты при помощи потенциометра Rstравными 100;200;300;400 г∙см и для каждого значения нагрузочного момента измерить n,I и U. Данные экспериментальных измерений занести в таблицу 6.1.
6. Произвести расчет параметров Рп, Р1, η и занести их значение в таблицу.
7. По экспериментальным и расчетным данным построить механическую n = f (М), скоростную n = f(I), моментную М = f (I) и рабочие характеристики n=f(Pn);M=f(Pn);
I = f (Pn); η = f (Pn).
5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Цель работы.
2. Электрическая схема установки.
3. Таблицы с данными измерений и вычислений.
4. Графики характеристик согласно программе исследований.
5. Выводы.
6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Описать принцип работы двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.
2. В чем состоит Основная отличительная особенность двигателя с последовательным возбуждением?
3. Напишите уравнения частоты вращения двигателя, электромагнитного момента и механической характеристики.
4. Что называется рабочими характеристиками двигателя?
5. Чему равен коэффициент полезного действия двигателя?
6. Для каких авиационных электроприводов целесообразно применять двигатели с последовательным возбуждением?
7. Объясните порядок проведенных исследований и расчетов.
8. Почему график рабочей характеристики η = f (Pn) имеет экстремум?
9. Как можно регулировать скорость вращения двигателя и осуществить реверс?
Таблица6.1
Экспериментальные данные | Расчетные данные | |||||
m, гсм | n, об/мин | I,А | U,В | Рп, Вт | Р1, Вт | η,% |