Дослід електродвигуна постійного струму

Тема:  Дослід електродвигуна постійного струму.

Мета:  Придбати практичні навички конструкції двигуна постійного струму, навчитись складати схему пуска, гальмування та зняття електро механічної характеристики.

Обладнення:  Електродвигуни постійного струму, стенд для досвіда ЕПС. 

                                      Хід роботи:

1.     Принцип дії електродвигуна постійного струму.

2.     Засоби  збудження ДПС, схеми збудження.

3.     Пуск  двигуна постійного струму, схема  пуску.

4.    Електромеханічни характеристики ДПС.

5.     Гальмування  ДПС, засоби гальмування.

6.     Режими  роботи ДПС.

7.     Засоби  регульовання частоти обертання  ДПС.

8.     Висновок.

1Н-08

1. Принцип дії:

Рис.1-1. Найпростіший електродвигун постійного струму

Рис.1-2. Робота найпростішого електродвигуна 
постійного струму в режимі Генератора (а) і двигуна (б). 

2. Засоби  збудження ДПС, схеми збудження.

       Засоби  збудження машин постійного струму можна класифікувати наступним  образом:

-машини незалежного  збудження, у котрих обмотка  збудження пітається постійним  струмомвід істочника,електрично  не зв'язованного з 

-машини послідовного  збудження,у котрих обмотка якоря  та обмотка збудження з'єднані  послідовно.

-машини змішаного збудження,у котрих є дві обмотки збудження-паралельна та послідовна .

-машини зі збудженням постійними магнітами.

- Схеми порушення  двигуна постійного  струму:

а — паралельне,

б — послідовне,

в — змішане порушення;

U — напруга живлення;

Я — якір;

Д — обмотка додаткових полюсів;

В — паралельна обмотка  збудження;

П — послідовна обмотка  збудження;

ПР  — пусковий реостат;

РР  — регулювальний  реостат; Iв — струм порушення;

Iя — струм якоря. 
 

3. Пуск  двигуна постійного струму, схема пуску.

Схема включення двигуна  незалежного порушення показана на мал. 2.

У ланцюг якоря може бути включений додатковий опір R_д, наприклад пусковий реостат. Для регулювання струму порушення в ланцюг обмотки збудження може бути включений регулювальний реостат R_р. У двигуна паралельного порушення обмотки якоря й порушення підключені до одного джерела живлення, і напруга на них однакове. Отже, двигун паралельного порушення можна розглядати як двигун незалежного порушення при U_я= U_в.

      Відповідно до рівняння рівноваги  моментів (M_эм = M₀ + M_н + J(dω/dt), де M₀ + M_н= M_ст - статичний

     момент  опору, J(dω/dt)= M_дин - динамічний момент опору.) умовою пуску

4. Електромеханічни характеристики ДПС.

Механічні характеристики двигунів прийняті підрозділяти на природні й штучні. Природна характеристика відповідає номінальній напрузі живлення й відсутності додаткових опорів у ланцюгах обмоток двигуна. Якщо хоча б одне з перерахованих умов не виконується, характеристика називається штучної. 
   Рівняння електромеханічної ω=f(I _я) і механічної ω=f(M _эм.) характеристик можуть бути знайдені з рівняння рівноваги ЭДС і напруг для якірного ланцюга двигуна, записаного на підставі другого закону Кирхгофа:

U _я=E _я+I _я)(R _я+R _д),    (5.35)

де R _я – активний опір якоря. 
   Преобразуя (5.35) з обліком (5.6), одержимо рівняння електромеханічної характеристики    

ω=(U _я-I _я(R _я+R _д))/kФ. (5.36)

Відповідно до (5.10) струм якоря I _я=M _эм./kФ і вираження (5.36) перетвориться в рівняння механічної характеристики: 

ω=U_я/ kФ – ( R _я+ R _д)/( kФ) ²⁾M_эм. . (5.37)

Це рівняння можна  представити у вигляді ω= ω  _о.ид.- ? ?, де

ω _о.ид.=U_я/kФ (5.38)  

ω _о.ид - кутова швидкість ідеального холостого ходу ( при I_я=0 і, відповідно, М_эм.=0 ); Δ ω= М_эм. [(R_я+R_д)/(kФ)²]– зменшення кутової швидкості, обумовлене

Рис. 3 
 
 
 
 

Механічні характеристики двигунів прийняті оцінювати по трьох показниках: стійкості, твердості й лінійності. 
         Природна механічна характеристика, що відповідає (5.37) при R_д=0, зображена прямою лінією 1. Механічна характеристика лінійна; відхилення від лінійного закону може бути викликано реакцією якоря, що приводить до зміни потоку Ф. Ця характеристика тверда, тому що при зміні моменту навантаження й відповідно швидкості потік порушення не змінюється. Твердість характеристики зменшується при введенні додаткового опору в ланцюг якоря (прямі лінії 2 і 3 – штучні реостатні характеристики). Характеристики стійкі, тому що dω/dM_эм.<0, і забезпечують саморегулювання двигуна, тобто він автоматично пристосовується до навантаження, що змінюється. Збільшення статичного моменту опору на валу двигуна приводить до зменшення кутової швидкості й ЭДС якоря. Струм якоря, вираження для якого можна записати на підставі (5.35),

I_я= ( Uя-Eя)/(R _я+ R _д)=(U_я -kωФ;)/( R _я R _д),    (5.39)

зростає. Відповідно росте електромагнітний момент аж до нового значення моменту опору (перехід  із крапки А в крапку В на механічній характеристиці). 
      За аналогією на підставі (5.37) може бути побудоване сімейство штучних характеристик при різних значеннях U_я або Ф. Аналіз таких характеристик буде пророблений у розділі виконавчих двигунів постійного струму.

5. Гальмування ДПС,  засоби гальмування. 

     У двигунів незалежного й паралельного порушення можливі три гальмових режими: рекуперативне гальмування, гальмування противовключением і динамічне. При аналізі гальмових режимів необхідно будувати механічні характеристики машини у всіх чотирьох квадрантах площини М_эм, ω. Для побудови механічних характеристик можна користуватися тим самим рівнянням (5.37) з урахуванням знака М_эм у різних режимах роботи машини.

      У момент зменшення напруги живлення двигун переходить із крапки А характеристики 1 у крапку В характеристики 2, момент М_эм міняє знак і починається гальмування двигуна до крапки С. Гальмування до зупинки таким способом неможливо й він використовується, в основному, при гальмуванні на високих швидкостях. Спосіб економічний завдяки можливості віддачі електричної енергії в мережу. 
        Гальмування противовключением може відбуватися у двох випадках: 
   1)якщо зовнішній момент, більший чим пусковий момент двигуна, змушує обертатися якір проти його природного напрямку обертання (робота в IV квадранті); 
   2)якщо змінюється полярність напруги на якорі (або рідше на обмотці збудження), а якір по інерції продовжує обертатися в колишньому напрямку. 
        Далі розглядається найбільше що часто зустрічається другий випадок зі зміною полярності напруги на якорі. При цьому струм якоря I_я=(-U_я- E_я)/ R_я міняє напрямок і значення його різко зростає, тому що тепер напруга й ЭДС діють в одному напрямку. Тому при гальмуванні противовключением у ланцюг якоря обов'язково включається додатковий опір R_д . Зміна полярності напруги на якорі означає, що зміниться й знак швидкості ідеального х.х. ω _о.ид, тобто механічна характеристика пройде через III квадрант . У момент перемикання напруги двигун переходить із крапки А природної характеристики рухового режиму I у крапку В реостатної характеристики гальмового режиму 2, момент М_эм міняє знак і починається інтенсивне зниження ω. У крапці Зі швидкість двигуна дорівнює нулю, і його потрібно відключити від джерела живлення. Якщо цього не зробити, то ротор почне обертатися в протилежному напрямку й перейде в сталий режим у крапці D реостатної або, якщо R_д відключити, у крапці D’ нової природної характеристики 3, тобто відбудеться реверсування двигуна.Динамічне гальмування здійснюється відключенням ланцюга якоря від джерела звичайно гальмовим реостатом (мал. 4.а, переклад перемикача До з лівого положення в праве).

6. Режими роботи ДПС

         Режим короткого замикання-данний режим неминучий для електродвигунів. Виникає при пуску двигуна.

     Іпуск.=( 4-8) Ін 

     Пусковий  струм в 4-8 разів більш намінального  струму.

     І=Ікз,  М=Мкз, W=0

     Електрична  енергія потребляється з сеті  й разходується у виді тепла  на сопратевління обмоток U=E.

        Двигательний режим-розташований у першому квадраті від А до В. У цьому режимі частота більше нуля,алі меньш углової частоти холостого ходу. Углова частота й момент зівподають направленно.

        Генераторний режим-двигун получає енергію від роботи машин та віддає її. (рекоперирує.)  

7. Засоби  регульовання частоти  обертання ДПС.

Швидкість на виході ДПТ пропорційна напрузі на вході, отже можна змінюючи напругу управляти  рухом. Такий спосіб застосовують для  відносно малопотужних двигунів. Для керування більше сильними двигунами використовують принцип ШИМ, коли змінюється не величина напруги, а тривалість його додатка до двигуна.

Керування двигуном здійснюється по струму в обмотці двигуна, що пропорційний напрузі, прикладеному до цієї обмотки. Реакцію двигуна на дану напругу при певному зовнішньому моменті можна побачити на відповідній регулювальній характеристиці. Регулювальна характеристика показує швидкість, що двигун досягне в сталому режимі.

M = km — момент, що розвивається двигуном, пропорційний току в обмотці якоря (ротора). k_m — коефіцієнт моменту двигуна.

E = k_eω — противо ЕДС в обмотках якоря пропорційно кутовій частоті обертання ротора. k_e — коефіцієнт ЕДС двигуна.

U = RI - закон Ома для обмотки ротора. R - опір обмотки ротора, I - струм у ній і U - напруга, що подається на обмотку ротора.

Кутову швидкість  двигуна при незмінному моменті  опору можна регулювати трьома способами: 
   1)якірним – зміною напруги на обмотці якоря U_я; 
   2)полюсним – зміною магнітного потоку порушення Ф_в; 
   3)реостатним – зміною додаткового опору R_д у ланцюзі якоря. 
Напругою керування може бути напруга на обмотці якоря (якірне керування) або на обмотці збудження головних полюсів (полюсне керування). При реостатному способі через реостати R_д (див. мал. 1) повинен довгостроково пропускатися значний струм, що викликає більші втрати потужності, тому даний спосіб неекономічний і застосовується рідко.

           Висновок: Я придбав практичні навички конструкції двигуна постійного струму, навчився  складати схему пуску, гальмування та зняття електро механічної характеристики.