Исследование двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением (120
..pdf
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана
В.И. Волченсков
ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана
В.И. Волченсков
ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
Методические указания к выполнению домашнего задания по курсу «Электротехника и электроника»
Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2011
УДК 621.3 ББК 31.2
В67
Волченсков В.И.
В67 Исследование двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением : метод. указания к выполнению домашнего задания по курсу «Электротехника и электроника» / В.И. Волченсков. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. – 26, [2] с.: ил.
Рассмотрены основные методы регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока и методы его торможения, приведены соответствующие схемы включения, формулы, необходимые для расчета исследуемых характеристик двигателей, выпускаемых в настоящее время промышленностью.
Для студентов факультетов РК, МТ, Э, СМ, ФН МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих дисциплину «Электротехника и электроника».
Рекомендовано Учебно-методической комиссией НУК ФН.
УДК 621.3 ББК 31.2
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011
2
ВВЕДЕНИЕ
Двигатели постоянного тока широко используются в электроприводах. Они обладают рядом особенностей по сравнению с другими электрическими машинами. При выполнении данного домашнего задания студенты знакомятся практически со всеми основными вопросами, связанными с анализом работы двигателей постоянного тока, рассчитывают естественную механическую характеристику, рассматривают пуск, торможение и регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока (ДПТ).
Полный объем домашнего задания по расчету основных характеристик ДПТ включает следующие пункты.
1.Расчет естественной механической характеристики n(M ) и электромеханической характеристики n(Iя) .
2.Расчет искусственных механических характеристик n(M ) при разных способах регулирования n:
– изменении напряжения источника питания U;
– введении в цепь ротора добавочного сопротивления Rя.доб;
– изменении потока возбуждения Ф.
3.Расчет искусственных механических характеристик n(M ) при разных способах электрического торможения (генераторное, динамическое, противовключением).
4.Расчет семейства пусковых механических характеристик n(M ), обеспечивающих пуск ДПТ при трехступенчатом разгоне.
5.Расчет рабочих характеристик.
Исходные данные вариантов домашнего задания приведены в табл. 1 и 2. Методика расчета всех пунктов домашнего задания рассмотрена ниже.
По усмотрению преподавателя для отдельных специальностей могут выполняться не все пункты задания.
Номер варианта исходных данных соответствует порядковому номеру, под которым студент числится в журнале у старосты группы.
3
1. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ
Для двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением (см. табл. 1, 2) выполнить следующие расчеты и построения.
1.Нарисовать электрическую схему включения ДПТ с параллельным возбуждением.
2.Рассчитать и построить на одном графике естественные ме-
ханическую n(M) и электромеханическую n(Iя) характеристики. Определить частоту вращения nD при заданном моменте сопротивления MD = Mнt на валу двигателя.
3.Рассчитать и построить на одном графике естественную и искусственные характеристики n(M) при разных способах регулирования частоты вращения n ДПТ. Определить для каждого случая частоту вращения nD при заданном моменте сопротивления MD =
=Mнt на валу двигателя:
а) при регулировании изменением напряжения сети (U =
= Uq1);
б) при реостатном регулировании (Rя.доб = Rяq2); в) при изменении потока возбуждения (Ф = Фq1).
4. Рассчитать и построить на одном графике естественную и искусственные характеристики n(M ) при разных способах торможения ДПТ:
а) при генераторном торможении, начиная с режима
nт = nнh1 и Mт = –Mнt ;
б) при динамическом торможении, начиная с режима
nт = nD и Mт = –Mнt ;
в) при торможении противовключением, начиная с режима nт = –nнh2 и Mт = Mнt (при реостатном торможении);
nт = nD и Mт = –Mнt (при торможении с изменением полярности напряжения на обмотке якоря).
5. Рассчитать и построить на одном графике естественную и семейство реостатных пусковых характеристик n(M ), обеспечивающих трехступенчатый пуск ДПТ до выхода его в рабочий ре-
жим (при MD = Mнt).
6. Рассчитать и построить на одном графике рабочие характеристики ДПТ с параллельным возбуждением n, Iя, M, P1, КПД = f (P2) при работе двигателя на естественной характеристике n(M ).
4
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Номер |
Рн, Вт |
Uн, В |
nн, |
КПД |
Rя, Ом |
Rдоб.п., |
Rвозб, |
Вариант |
варианта |
|
|
об/мин |
|
|
Ом |
Ом |
из табл. 2 |
1 |
370 |
110 |
1500 |
0,66 |
2,10 |
1,297 |
192 |
а |
2 |
370 |
220 |
1500 |
0,675 |
7,74 |
5,17 |
720 |
б |
3 |
600 |
110 |
1500 |
0,72 |
1,083 |
0,659 |
153 |
в |
4 |
600 |
220 |
1600 |
0,725 |
4,38 |
2,62 |
595 |
г |
5 |
750 |
110 |
1500 |
0,70 |
0,563 |
0,565 |
84,3 |
д |
6 |
750 |
220 |
1500 |
0,71 |
2,48 |
2,13 |
303 |
е |
7 |
630 |
110 |
1000 |
0,685 |
0,74 |
0,74 |
80 |
ж |
8 |
630 |
220 |
1600 |
0,685 |
3,13 |
3,336 |
303 |
з |
9 |
1000 |
110 |
1600 |
0,74 |
0,378 |
0,378 |
80 |
и |
10 |
1000 |
220 |
1500 |
0,75 |
1,66 |
1,45 |
303 |
а |
11 |
1600 |
110 |
1600 |
0,71 |
0,346 |
0,224 |
54,5 |
б |
12 |
1600 |
220 |
1000 |
0,705 |
1,38 |
1,00 |
202 |
в |
13 |
2400 |
110 |
1600 |
0,765 |
0,185 |
0,148 |
54,5 |
г |
14 |
2400 |
220 |
1600 |
0,77 |
0,74 |
0,486 |
202 |
д |
15 |
1900 |
110 |
1600 |
0,76 |
0,269 |
0,22 |
50 |
е |
16 |
1900 |
220 |
1600 |
0,765 |
1,08 |
0,915 |
216 |
ж |
17 |
3200 |
110 |
1600 |
0,82 |
0,12 |
0,089 |
50 |
з |
18 |
3200 |
220 |
1600 |
0,825 |
0,518 |
0,323 |
216 |
и |
19 |
3500 |
110 |
1000 |
0,805 |
0,145 |
0,101 |
46,4 |
а |
20 |
2500 |
220 |
1000 |
0,80 |
0,59 |
0,43 |
177 |
б |
21 |
4200 |
110 |
1500 |
0,835 |
0,081 |
0,056 |
46,4 |
в |
22 |
4200 |
220 |
1500 |
0,845 |
0,326 |
0,208 |
177 |
г |
23 |
3200 |
110 |
1600 |
0,82 |
0,096 |
0,073 |
49,4 |
д |
24 |
3200 |
220 |
1600 |
0,825 |
0,385 |
0,364 |
181 |
е |
25 |
5300 |
110 |
1500 |
0,855 |
0,216 |
0,175 |
49,4 |
ж |
26 |
5300 |
220 |
1500 |
0,865 |
0,833 |
0,60 |
181 |
з |
27 |
4500 |
110 |
1000 |
0,825 |
0,084 |
0,056 |
49,2 |
и |
28 |
4500 |
220 |
1000 |
0,835 |
0,338 |
0,221 |
177 |
а |
29 |
7100 |
110 |
1500 |
0,86 |
0,038 |
0,025 |
49,2 |
б |
30 |
7100 |
220 |
1500 |
0,865 |
0,15 |
0,092 |
177 |
в |
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
Окончание табл. 1
Номер |
Рн, Вт |
Uн, В |
nн, |
|
КПД |
|
Rя, Ом |
|
Rдоб.п., |
|
Rвозб, |
|
Вариант |
|
||||||||
варианта |
|
|
|
|
об/мин |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ом |
|
Ом |
|
из табл. 2 |
|
||
31 |
5600 |
|
110 |
|
1000 |
|
0,835 |
|
0,065 |
|
0,04 |
34,0 |
|
|
г |
|
||||||
32 |
5600 |
|
220 |
|
1000 |
|
0,84 |
|
|
0,26 |
|
0,183 |
131 |
|
|
д |
|
|||||
33 |
8500 |
|
110 |
|
1600 |
|
0,865 |
|
0,025 |
|
0,018 |
34,7 |
|
|
е |
|
||||||
34 |
8500 |
|
220 |
|
1000 |
|
0,875 |
|
0,125 |
|
0,08 |
137 |
|
|
ж |
|
||||||
35 |
11000 |
|
220 |
|
1500 |
|
0,885 |
|
0,083 |
|
0,053 |
42,0 |
|
|
з |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Параметр |
|
|
|
|
|
|
|
|
Вариант |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
а |
|
б |
|
в |
|
|
г |
|
д |
|
е |
|
ж |
|
з |
|
и |
|||||
t |
0,6 |
|
0,8 |
|
0,5 |
|
0,7 |
|
0,9 |
|
0,8 |
|
0,4 |
|
0,3 |
|
|
0,7 |
|
|||
q1 |
0,8 |
|
0,85 |
|
0,7 |
|
0,75 |
|
0,9 |
|
0,85 |
|
0,6 |
|
0,55 |
|
0,8 |
|
||||
q2 |
3,5 |
|
2 |
|
4 |
|
2,5 |
|
2 |
|
3 |
|
|
5 |
|
6 |
|
|
3 |
|
||
h1 |
1,3 |
|
1,25 |
|
1,2 |
|
1,15 |
|
1,1 |
|
1,05 |
|
1,5 |
|
1,4 |
|
|
1,35 |
|
|||
h2 |
0,8 |
|
0,5 |
|
0,6 |
|
0,4 |
|
0,3 |
|
0,25 |
|
0,7 |
|
0,35 |
|
0,45 |
|
||||
2. РАСЧЕТ НОМИНАЛЬНЫХ ДАННЫХ И ПОСТРОЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ n(M )
Рассмотрим основные теоретические положения, необходимые для успешного выполнения домашнего задания.
В качестве исходных данных в табл. 1 и 2 приводятся взятые из справочника величины:
Uн – номинальное напряжение двигателя, В;
Pн – номинальная мощность двигателя, кВт;
nн – номинальная частота вращения ротора, об/мин; ηн – КПД при номинальной нагрузке;
Rя – сопротивление обмотки якоря, Ом;
Rдоб.п – сопротивление обмотки дополнительных полюсов, Ом; Rвозб – сопротивление обмотки возбуждения, Ом.
Полезной мощностью P2 ДПТ является механическая, определяемая через механические параметры так: P2 = MΩ = M(2π / 60)n = = 0,105Mn.
6
Используя номинальные данные P2н и nн, вычисляем номинальный вращающий момент двигателя Mн = 9,55P2н / nн, где P2н =
=Рн – номинальная мощность, Вт; nн – номинальная частота, об/мин; Mн – номинальный момент, Н·м.
Номинальная электрическая мощность, потребляемая из сети двигателем P1н = P2н / ηн. Номинальный ток обмотки якоря Iя.н =
=Uн / (Rя + Rдоб.п). Номинальный ток возбуждения Iв.н = Uн / Rвозб.
Рис. 1. Электрическая схема ДПТ с параллельным возбуждением
Уравнение электрического состояния силовой цепи двигателя
(рис. 1)
U = E + Iя(Rя + Rдоб.п), где Е = СЕ Фn.
Уравнение электромеханической характеристики n(Iя)
n = U / (СЕФ) – Iя(Rя + Rдоп.п) / (СЕФ) = n0 – n .
Учитывая, что M = CМФIя, получаем уравнение механической характеристики n(M)
n = U/(СЕ Ф) – M(Rя + Rдоб.п)/(СЕ СМ Ф2) = n0 – n.
Полученные выражения для характеристик n(Iя) и n(M) имеют линейный характер при допущении, что магнитная цепь двигателя не насыщена.
При проведении расчетов часто требуется знать постоянные коэффициенты СЕ Ф и СМ Ф. Определяем их по значениям для номинального режима:
СЕ Ф = Ен / nн и СМФ = Мн / Iя.н.
Для построения естественной механической n(M) и электромеханической n(Iя) характеристик необходимо знать координаты двух точек:
n = n0 при M = 0 и Iя = 0 (режим холостого хода); n = nн при M = Мн и Iя = Iя.н (номинальный режим).
7
Рис. 2. Механическая n(M) и электромеханическая n(Iя) характеристикиДПТ
Частота вращения в режиме холосто-
го хода n0 = U/(СЕФ).
Далее на одном графике в общей системе координат строим обе зависимо-
сти n(M) и n(Iя) (рис. 2).
По заданию требуется определить частоту вращения ДПТ, соответствующую заданному моменту нагрузки на валу двигателя МD = Mнt. Воспользуемся уравнением
nD = U / (СЕФ) – MD(Rя + + Rдоп.п) / (СЕСМФ2).
3. РАСЧЕТ ИСКУССТВЕННЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК n(M) ПРИ РАЗНЫХ СПОСОБАХ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ДПТ
Расчет n(M) при уменьшении напряжения источника питания в цепи якоря
Влияние U на вид характеристики n(M). Выражения для элек-
тромеханической n(Iя) и механической n(M) характеристик имеют вид
n = U / (СЕФ) – Iя(Rя + Rдоб.п) / (СЕФ) = n0 – n,
n = U / (СЕФ) – M(Rя + Rдоб.п) / (СЕСМФ2) = n0 – n.
Как следует из приведенных выражений, при уменьшении напряжения на якорной обмотке U и неизменном магнитном потоке (Ф = const) частота n0 снижается пропорционально U, а n остается неизменным при одинаковых значениях момента М. Значит, наклон характеристики n(M) не меняется.
При уменьшении напряжения (U = Uq1), приложенного к обмотке якоря, получаем искусственную характеристику n(M), смещенную вниз относительно естественной характеристики n(M) (рис. 3).
8
Расчет искусственной характеристики n(M) при U = Uq1.
Для построения искусственной характеристики n(M) в силу ее линейности достаточно рассчитать координаты двух точек, например:
– для режима холостого хода
М= 0; n0 = U /(СЕФ) = Uq1 / (СЕФ) = n0q1;
–при номинальной нагрузке
М= Мн; n н = U / (СЕФ) – Mн(Rя + Rдоб.п) / (СЕСМФ2).
На общем графике строим естественную n(M) и искусственную n(M) характеристики (см. рис. 3).
Коэффициент регулирования kD при заданном MD. Вычисляем коэффициент регулирования kD частоты вращения n при изменении напряжения источника
питания U = Uq1 и моменте нагрузки
MD = Mнt : kD = nD / nD. Здесь nD – частота вращения, соответствующая моменту
MD, при работе ДПТ на естественной характеристике n(M); эту частоту вычисли-
ли раньше при рассмотрении естественной характеристики (см. с. 8); nD – частота вращения, соответствующая моменту MD, при работе ДПТ на искусственной характеристике n(M) при том же моменте нагрузки MD и пониженном напряжении U1 = U1q1.
Далее необходимо показать преимущества и недостатки данного метода регулирования n и сделать выводы о целесообразности его применения.
Расчет характеристики n(M) при введении добавочного сопротивления Rя.доб в цепь якоря
Влияние Rя.доб на вид характеристики n(M). Электрическая схема, соответствующая реостатному регулированию n ДПТ, приведена на рис. 4.
Уравнение механической характеристики n(M) при использовании реостатного регулирования выглядит следующим образом:
n = U / (СЕФ) – M(Rя + Rдоб.п+ Rя.доб) / (СЕСМФ2) = n0 – n.
9