Исследование электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

Лабораторная работа №9

Цель работы: ознакомиться с устройством, принципом действия, основными характеристиками и методикой испытаний электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением.

Основные теоретические положения

Двигатель состоит из неподвижной части - статора и вращающейся - якоря. Статор и якорь разделены воздушным зазором. На статоре расположены полюса и обмотки возбуждения (ОВ). С помощью их создается магнитное поле в воздушном зазоре. На якоре в пазах шихтованного магнитопровода размещается обмотка якоря, выполненная по специальной схеме в виде секций. Выводы секций соединяются с пластинами коллектора, на который опираются неподвижные графитовые щетки. Через щетки и коллектор к обмотке подается постоянное напряжение. Поскольку через коллекторные пластины все секции обмотки якоря соединены между собой, то в обмотке якоря протекает ток якоря I_Я. В результате взаимодействия тока якоря с магнитным потоком возбуждения на проводники действуют силы, создающие вращающий момент. Направление силы можно определить по правилу левой руки.

На рис. 1 показана принципиальная схема двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением.

Рис. 1

Напряжение U на зажимах двигателя определяется по второму закону Кирхгофа:

(1)

где Е - Э.Д.С, наводимая в обмотке якоря; R_Я - сопротивление якоря, учитывающее сопротивление проводников обмотки якоря и сопротивления в месте контакта щетки с коллектором. Тогда ток якоря

(2)

В начале пуска, когда якорь неподвижен, Э.Д.С равна нулю Е = 0 и пусковой ток недопустимо возрастает. Поэтому для ограничения пускового тока в цепь якоря включают реостат R_П, величина сопротивления которого может быть уменьшена по мере увеличения скорости двигателя. В этом случае максимальный пусковой ток

где R_П - максимальное значение сопротивления пускового реостата. Оно выбирается из условий, чтобы пусковой ток не превышал номинального значения.

Э.Д.С. в обмотке якоря

, (3)

где п - частота вращения якоря (об/мин);

Ф - магнитный поток в зазоре двигателя (Вб);

С_Е - коэффициент Э.Д.С, зависящий от конструктивных параметров двигателя

, (4)

где р - число пар полюсов;

а - число пар параллельных ветвей обмотки якоря;

N - число проводников обмотки якоря.

Если частоту вращения выразить через угловую скорость ω

(5)

то

(6)

где

(7)

Как видно из рис. 1 ток в обмотке возбуждения

(8)

где R_В,R_Р - сопротивление обмотки возбуждения и регулировочного реостата в цепи ОВ. При пуске сопротивление реостата R_P в цепи обмотки возбуждения равно нулю, т.е. реостат должен быть полностью выведен. Это обеспечивает максимальный поток Ф и максимально допустимый вращающий момент М. В общем случае вращающий момент определяется по формуле:

(9)

Из уравнения (1) и (3) следует зависимость частоты вращения от тока якоря, т.е. скоростная характеристика электродвигателя n(I_Я):

(10)

В другом виде, с учетом (6)

(11)

Таким образом, зависимости п(I_Я),ω(I_Я) имеют вид прямой.

При отсутствии нагрузки и сил трения вращающий момент М должен ровняться нулю. Из формулы (9) следует, что при этом ток якоря I_Я =0. Тогда скорость холостого хода двигателя

(12)

или

(13)

Важной характеристикой электродвигателя является механическая характеристика, определяющая зависимость частоты вращения от вращающего момента п (М) или ω (М). Уравнение этой характеристики можно получить, подставив I_Я из формулы (9) в (10), либо (11):

(14)

или

(15)

Как видно из (14) и (15), механическая характеристика имеет вид прямой линии, пересекающей ось ординат при скорости идеального холостого хода п₀ или ω₀. При увеличении нагрузки момент М возрастает и скорость уменьшается. При очень большой нагрузке двигатель остановится, п = 0.

Сравнение (14), (15) с (10), (11) показывает, что механическая характеристика двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением повторяет в другом масштабе его скоростную характеристику. На рис.2 а, б представлены механические и скоростные характеристики двигателя при различных величинах сопротивлений в цепи обмотки якоря (R_Я+R_д). Характеристики 1, когда R_д = 0 соответствуют уравнениям (10) и (14) называются естественными. При увеличении R_д характеристики идут более круто и (становятся более мягкими).

Рис.2

Характеристики 2 и 3 называются реостатными или искусственными (R_д3 > R_д2).

Рабочие характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения определяют зависимость частоты вращения п(ω), момента М, тока якоря I_Я, кпд η от полезной мощности Р₂ на валу электродвигателя при неизменном напряжении на его зажимах.

Примерный вид рабочих характеристик двигателя показан на рис. 3.

Рис.3

Полезный момент М₂ на валу двигателя определяется

(16)

либо

(17)

Момент М, создаваемый двигателем, больше полезного момента М₂ на величину момента сопротивления движению на холостом ходу М₀

(18)

Зависимость момента на валу двигателя от нагрузки Р₂ представляет собой почти прямую линию. Искривление указанной зависимости объясняется некоторым снижением частоты вращения с увеличением нагрузки. При Р₂ = 0 ток, потребляемый электродвигателем, равен току холостого хода. При увеличении мощности, развиваемой электродвигателем, ток якоря увеличивается приблизительно по той же зависимости, что и момент нагрузки на валу, т.к. при условии Ф = const ток якоря пропорционален моменту нагрузки. Зная мощность, подводимую к двигателю

(19)

можно определить кпд двигателя:

(20)

где ΣP_i - суммарная мощность потерь в двигателе, равная

(21)

Здесь Р_ЭЯ = I_Я² • R_Я - мощность электрических потерь в цепи якоря;

Р_ЭВ = U • I_В - мощность электрических потерь в цепи обмотки возбуждения;

P_мех - мощность механических потерь в двигателе;

Р_доб - мощность добавочных потерь;

Р_С - мощность потерь в стали (в магнитопроводе) на гистерезис и вихревые токи.

Задание по работе

1. Ознакомиться с устройством и конструкцией исследуемого электродвигателя, используя макеты двигателей, представленные в лаборатории.

2. Снять механическую характеристику исследуемого электродвигателя.

3. Построить его рабочие и механические характеристики.

Методические указания по выполнению работы

1. Записать технические паспортные данные электродвигателя:

§ Тип электродвигателя П - 21

§ Номинальная мощность Р_Н, кВт 1,5

§ Номинальное напряжение U_Н, В 220

§ Номинальная частота вращения n_Н, об/мин 3000

§ Номинальный ток I_Н, А 8,8

§ Номинальный кпд η_Н, 0,77

§ Коэффициент пропорциональности С_ЕФ_Н, В • мин / об 0,07

§ Коэффициент пропорциональности С_МФ_Н,Н м/ А 0,67

2. Собрать электрическую цепь для снятия характеристик электродвигателя постоянного тока параллельного возбуждения. Принципиальная схема электрической цепи приведена на рис. 4.

Рис.4

Монтаж электрической цепи производить в соответствии с монтажной схемой рис. 5.

Рис.5

Необходимые элементы этой схемы представлены на рабочей панели стенда «двигатель постоянного тока».

Сборка производится путем установки специальных перемычек.

Нагрузка двигателя осуществляется электромагнитным тормозом (ЭТМ). Для этой цели на панели имеется ручка «регулировка нагрузки», вращая которую по часовой стрелке производят увеличение момента сопротивления на валу двигателя.

Измерение момента, а также частоты вращения электродвигателя, производится соответствующими измерительными приборами, вмонтированными в приборную панель (агрегат №2).

Перед пуском исследуемого электродвигателя необходимо:

1. Полностью ввести сопротивление пускового реостата (при этом ручку пускового реостата вращать против часовой стрелки до крайнего левого положения).

2. Полностью вывести сопротивление реостата в цепи обмотки возбуждения (вращение ручки по часовой стрелке до крайнего правого положения).

3. Ручка «регулировка нагрузки» для изменения момента нагрузки двигателя должна находится в крайнем левом положении.

4. Установить номинальное значение напряжения питания электродвигателя U_Н = 220В. Для этого на панели «машины постоянного тока» нажать кнопку «вкл», а затем увеличивать либо уменьшать напряжение кнопками «↑» и «↓».

5. Включить напряжение питания для электрической цепи измерения момента и частоты вращения электродвигателя. Для этого на панели «нагрузочные устройства» перевести кнопку в положение «агрегат №2».

3. Вращением ручки пускового реостата из положения «1» в положение «7» произвести пуск электродвигателя на холостом ходу (момент нагрузки равен нулю). В каждом промежуточном положении задерживать ручку на 1 ÷ 1,5 с.

В дальнейшем при снятии характеристик ручка пускового реостата должна оставаться в положении «7».

4. Снять механическую п (М), скоростную п (I_Я) характеристики и построить рабочие М (Р₂), n (Р₂), ω (Р₂),I_Я (P₂) и η (P₂) при U = U_Н = const и I_В = I_ВН = const.

Первые точки характеристики снимаются при холостом ходе электродвигателя, т.е. при уменьшенном до нуля моменте электромагнитного тормоза.

Плавным изменением момента электромагнитного тормоза осуществить загрузку электродвигателя. В начале устанавливается ток возбуждения, при котором при номинальных питающем напряжении и токе, потребляемом двигателем, частота вращения якоря равна номинальной и далее этот ток необходимо поддерживать неизменным.

Постепенно нагружая электродвигатель до значения тока, равного I_В = 1,21 I_ЯН, произвести регистрацию всех измерительных приборов для 6 - 7 точек. Данные наблюдений записать в табл. № 1.

Таблица № 1

№

Измерения

Вычисления

Аппроксим. значения

U, В

IЯ , А

IВ , А

n, об / мин

М, Н м

I, А

P1 кВт

P2 кВт

η

n, об/мин

М, Н м

1(х.х.)

2

3

4

5

6

При построении рабочих и механических характеристик используют данные экспериментальных измерений и вычислений. Однако, эти характеристики могут быть построены и при отсутствии данных измерений, представленных в графах (М, Н м) и (n, об/мин) табл. №1, что, например, возможно при выходе из строя блока измерения частоты вращения или измерения нагрузки двигателя, равно как и при выходе из строя указанных блоков одновременно.

Известно, что характеристики двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением М (I_Я) и п (I_Я) в пределах рабочей частоты характеристик имеют прямолинейный характер.

В соответствии с этим из рис. 6 следует, что прямоугольный треугольник Δ(n_Н, n₀, n_Н) подобен прямоугольному треугольнику Δ(n_Н, n₀, n_Н) откуда текущее значение частоты вращения двигателя n может быть определено соотношением:

(22)

где п₀ - частота вращения идеального холостого хода.

Рис.6

Соответственно, из прямоугольных подобных треугольников Δ(I_Я, I_Яхх, М) и Δ(I_ЯН,I_Яхх, М_Н) следует, что текущее значение вращающего момента М двигателя равно:

(23)

где I_Яхх - ток холостого хода якоря двигателя при отсутствии нагрузочного момента на валу двигателя;

М_Н - номинальный момент на валу двигателя.

Значение n и М, определяемые по формулам (22) и (23), называются аппроксимированными и заносятся в соответствующие колонки табл. № 1. Обработка результатов испытаний и построение рабочих 'характеристик осуществляется с учетом номинальных данных испытуемого электродвигателя. Например, п₀ вычисляется по формуле (12), М_Н - по формуле (17). Текущее значение тока I_Я и величина тока холостого хода I_Яхх определяются по показаниям прибора в цепи якоря двигателя.