Лабораторная работа № 2-6. ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

1
Лабораторная работа № 2-6.
ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА С
ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
Цель работы: изучить способы пуска; исследовать скоростные
и механические характеристики двигателей постоянного тока с
параллельным возбуждением
1. Основные теоретические положения
В двигателях постоянного тока с параллельным возбуждением
основной магнитный поток создается шунтовой обмоткой (Ш1 – Ш2),
которая подключается к сети параллельно с обмоткой якоря, либо к
независимому источнику питания, поэтому приближённо можно считать, что ток возбуждения и соответствующий ему магнитный поток
остаются неизменными пни изменениях нагрузки.
Основные свойства двигателей постоянного тока описываются
электромеханическими (скоростными) и механическими характеристиками, которые представляют собой зависимости частоты вращения
от тока якоря и электромагнитного момента:
n
R  R доб
U
 a
Ia ;
Cе Ф
Се Ф
(1)
n
R a  R доб
U

М.
CеФ СеCмФ 2
(2)
При неизменных значениях напряжения и потока возбуждения
эти зависимости будут линейными. Момент, развиваемый двигателем,
зависит от величины магнитного потока и тока якоря:
М  С м ФI a .
(3)
В пределах номинальных значений тока якоря и тока возбуждения это уравнение можно записать в более удобном виде
 I 
М  К М  в I a ,
 I в .ном 
(4)
2
где коэффициент пропорциональности КМ равен:
К М  9,55
U ном  I ном R a
.
n ном
Из этого выражения следует, что для вычисления электромагнитного момента достаточно знать ток якоря и ток возбуждения.
Характеристика двигателя при номинальном напряжении, номинальном магнитном потоке (токе возбуждения), и R доб  0 называется естественной, а характеристики, полученные при изменении
этих параметров, – искусственными.
Естественная характеристика строится по двум точкам, первая
из которых соответствует режиму идеального холостого хода, при котором ток якоря и момент равны нулю: I a  0 ; M  0 , а частота вращения определяется по формуле:
n  n 0  n ном
U ном
U ном
;
 I а .ном R a
(5)
Вторая точка соответствует номинальному режиму работы, и
имеет координаты:
n  n ном ; I а  I а .ном ; М  М ном 
Р 2ном
Р 2ном

.
 ном
0,105n ном
(6)
При пуске частота вращения равна нулю: n  0 , и при отсутствии добавочного сопротивления пусковой ток:
I a .пуск 
U ном
,
Ra
(7)
Поскольку сопротивление якоря очень мало, при прямом пуске
ток может многократно превышать номинальное значение, и его
необходимо ограничивать. Это достигается включением в цепь якоря
на время пуска дополнительных сопротивлений, величина которых
определяется по допустимому току якоря, который обычно составляет
2  3I а.ном :
3
I а . доп 
Uном
;
R а  R пуск
R пуск 
Uном
 Rа
I а. доп
(8)
Для ускорения пуска применяют несколько ступеней пускового
реостата, сопротивления которых находят по пусковой диаграмме
(рис. 1). Минимальный ток при этом составляет (1 …1,5) Iном.
n
n0
3
nном
Ra
2
Rn2
1
Rn1+ Rn2
Rn1
0
Ia.ном
In.min
In.max
Ia
Рисунок 1 – Пусковая диаграмма двигателя постоянного тока
параллельного возбуждения: 1 – искусственная характеристика на
первой ступени пуска; 2 - искусственная характеристика на второй ступени пуска, 3 – естественная характеристика
При введении в цепь якоря добавочных сопротивлений частота
вращения идеального холостого хода остается неизменной, а наклон
характеристик увеличивается. Таким образом, координаты первой
точки искусственных характеристик остаются неизменными:
n  n0 ; Ia  0 ; M  0 ,
а вторая точка определяется при частоте вращения n  0 , и токе:
Ia 
U ном
.
R a  R доб.
(9)
Изменение величины напряжения, приложенного к обмотке якоря, приводит к изменению частоты вращения холостого хода, но
наклон характеристик остается неизменным.
4
Частота вращения идеального холостого хода (при неизменном
магнитном потоке) в этом случае:
0.i  0.ном
Ui
.
Uном
(9)
При любом значении и тока и момента перепад частот при переходе от режима идеального холостого хода к нагрузочному режиму
остается неизменным, и характеристики идут параллельно (рис. 2).
n
n0.ном
nном
n0.i
ni
Δn
Uном
Δn
Ui
Ia.ном
Ia(М)
Рисунок 2 – Характеристики ДПТ параллельного возбуждения
при изменении питающего напряжения
При неизменном потоке возбуждения зависимости: n  f I a  и
n  f M  имеют одинаковый вид.
Иные закономерности имеют место при изменении магнитного
потока. Поскольку увеличение тока возбуждения сверх номинального
значения ведет к насыщению магнитной системы, практическое значение имеет только его уменьшение. При этом между током и потоком имеет место линейная зависимость Ф В  f I B  . Из уравнений
скоростных и механических характеристик (1) и (2) следует, что
уменьшение потока (тока возбуждения) приводит к обратно пропорциональному увеличению частоты вращения идеального холостого
хода:
n 0.i 
Uном
Uном
.

CE Ф В . i C Ф
 I B .i

E В .ном 
I B .ном 

(10)
5
Ток якоря и момент при этом изменяются по различным законам. Пусковой ток в соответствии с (7) не зависит от потока и остается
неизменным, а момент в соответствии с (3), (4) уменьшается пропорционально потоку (току возбуждения). В результате характеристики
n  f I a  и n  f M  имеют вид, показанный на рис. 3.
n
n02
Ф2
n01
n
n02
Ф3
Ф1 > Ф2 > Ф3
n01
Ф1
Ф3
Ф2
Ф1 > Ф2 > Ф3
Ф1
М
Ia
Ia.пуск
Мпуск3 Мпуск2 Мпуск1
Рисунок 3 – Электромеханические (а) и механические (б) характеристики
ДПТ параллельного возбуждения при изменении магнитного потока
2. Порядок выполнения работы
2.1. Записать паспортные данные исследуемой электрической машины. С помощью омметра или методом амперметра – вольтметра
(обязательно снизив напряжение до 20 ...30 В !) определить сопротивления обмотки якоря с добавочными полюсами и обеих
ступеней пускового реостата
2.2. Рассчитать по формулам (5) - (8) частоту вращения идеального
холостого хода, пусковой ток, и построить пусковую диаграмму.
2.3. Пользуясь приведёнными в предыдущем разделе формулами,
произвести необходимые расчёты, и построить в одних координатах электромеханические характеристики:
1 – естественную характеристику при номинальных значениях напряжения и тока возбуждения и R доб  0 ;
2 – искусственные характеристики при добавочных сопротивлениях в
цепи якоря, равных сопротивлениям ступеней пускового реостата;
6
3 – искусственную характеристику при U  0,5U ном и R доб  0 и номинальном токе возбуждения;
4 – искусственную характеристику при U  U ном ; R доб  0 и токе
возбуждения, равном 0,8I В .ном ;
Примерный вид этих характеристик дан на рис. 4.
n
n04
n01
n03
5
1
2
4
Ia
2
Рисунок 4 – Электромеханические характеристики ДПТ параллельного возбуждения: 1 – естественная; 2, 3 – при введении в
цепь якоря добавочных сопротивлений; 4 – при регулировании
напряжения на якоре; 5 – при регулировании тока возбуждения
2.4. Рассчитать и построить механические характеристики: 1 - естественную; 2 – искусственную характеристику при U  U ном ;
R доб  0 и токе возбуждения, равном 0,8I В .ном ;
2.5. Подготовить схему для проведения экспериментальных исследований, для чего:





Установить с помощью фазорегулятора необходимое напряжение
Собрать и представить на проверку схему рис. 5
Установить рукоятку переключателя пускового реостата в крайнее
левое положение (максимальное сопротивление)
Установить рукоятку регулятора тока возбуждения в крайнее правое положение (максимальный ток возбуждения). Особое внимание следует обратить на то, что обрыв цепи возбуждения является аварийным режимом
Произвести пробный пуск, проверить работу схемы
7
V
Пусковой реостат
1 2 3
= 0 …220 В
= 220 В
A
Ш1
rВ
Ш2
Rn2
mA
Rn1
Я1
Я2 (Д1)
Д2
нагрузочная
машина
Ш1
блок нагрузки
rВ
Ш2
Rн
1
2
Рисунок 5 – Схема установки для исследования характеристик ДПТ
параллельного возбуждения
2.6. Включить установку, установить номинальное напряжение и максимальный ток возбуждения. Установить номинальный ток возбуждения исследуемой машины. Снять и занести в таблицу данные для построения зависимости n  f ( I a ) при максимальном сопротивлении пускового реостата, на второй его ступени, и при
полностью закороченном реостате
Rп.1+ Rп.2
n, об/мин
I a, A
Rп..2
Rп = 0
8
2.7. Уменьшить напряжение до 0,5Uном и снять данные для построения зависимости n  f ( I a ) при Rп = 0.
2.8. Установить номинальное напряжение, и снять данные для построения характеристик n  f (I a ); n  f (M ) при максимальном
токе возбуждения и токе возбуждения 0,8I В .ном .
К М I в I в .ном 
I В . max
0,8I В .ном .
n, об/мин
Ia, A
M, нм
2.9. Характеристики, полученные опытным путём, построить совместно с расчётными. Сделать выводы. Оформить отчет.
Контрольные вопросы
1. Изобразить схему включения двигателя постоянного тока параллельного возбуждения, указать маркировку всех элементов, пояснить их назначение.
2. Что такое скоростные и механические характеристики машины
постоянного тока?
3. Каким образом можно запустить двигатель параллельного возбуждения? Как рассчитываются сопротивления пускового реостата?
4. Проанализировать влияние добавочного сопротивления в цепи
якоря на скоростные и механические характеристики
5. Проанализировать влияние напряжения на скоростные и механические характеристики
6. Проанализировать влияние тока возбуждения на скоростные и механические характеристики
9
7. Пояснить методику и технику проведения экспериментальных
исследований