Методичка по подготовке к лабораторным работам

Между током статора I1 и током ротора I2 существует трансформаторная связь

Ток статора согласно уравнению для МДЖС имеет вид: I1=I10-I2 где I10 ток холостого хода. I10 не зависит от нагрузки ,

I2-тока ротора . I2 так же как и в трансформаторах зависит от нагрузки.

Поэтому зависимость I1 увеличивается сувеличением P2 .

В режиме холостого хода I1=I10. и составляет от 20 до 75% от номинального тока статора I1ном.

В момент пуска ток ротора I2 = I2пуск =(6÷8) I1ном.

Вопрос 13: Где используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором?

Ответ 13:

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором используются в электроприводе (с регулированием скорости оборотов), транспортерах, в подъемных механизмах, вентиляторных установках, компрессорах, нагнетающих ( жидкостных) насосах, различных мешалках( бетон, тесто), шаровые мельницы, дробильные установки, пилорамы, привод станков.

Контрольные вопросы для тестирования

1.Что называют машиной переменного тока ?

2.Перечислите режимы работы машин переменного тока.

3.По каким показателям можно определить режим работы асинхронной машины ?

4.Что называют электромагнитным моментом? Единицы измерения.

5.Как направлен вектор магнитной индукции катушки с током? Привести рисунок.

6.Каким образом электрическая энергия потребляемая АД из сети преобразуется в механическую энергию вращения ротора?

7.Что называют числом пар полюсов машины ?

8.Принцип действия однофазных АД ( с пусковой

обмоткой 9. Принцип действия однофазных ( 2-х обмоточных ) АД

с фазосдвигающим конденсатором. ?

61

Тема № 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Цели работы: 1) ознакомиться с устройством и принципом действия, пуском в ход и способами регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока параллельного возбуждения; 2) изучить основные характеристики двигателя и методику их

снятия.

Рис. 47 Работа выполняется на универсальном стенде (рис.47). В

качестве нагрузки двигателя постоянного тока М1 используется трехфазный асинхронный двигатель М2, работающий в режиме динамического тормоза. Чтобы асинхронный двигатель функционировал как тормоз, его статорная обмотка питается постоянным током от мостового выпрямителя, включенного во вторичную цепь автотрансформатора Т. Вращая движок автотрансформатора, устанавливают ток тормоза IТ и, тем самым, задают необходимый тормозной момент на валу двигателя. Для измерения тока тормоза используется амперметр РА1. Автотрансформатор включается в сеть переменного тока выключателем Q1.

В цепь якоря исследуемого двигателя М1 включен пусковой реостат RП , в цепь обмотки возбуждения - регулировочный реостат RВ и амперметр РА3, измеряющий ток возбуждения. Двигатель включается в сеть постоянного тока выключателем Q2. Напряжение

62

сети U измеряется вольтметром PV, а ток двигателя IД -

амперметром РА4.

Электрическая цепь стенда представлена на рис. 46. Частота вращения двигателя измеряется тахометром, не показанном на схеме. Шкала данного прибора отградуирована в об/мин (с коэффициентом 2/3).

Контрольные вопросы Вопрос 1. Объяснить устройство и принцип действия двигателя

параллельного возбуждения.

Ответ1: Двигатель постоянного тока служит для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую энергию. Двигатель параллельного возбуждения, состоит из двух основных частей: неподвижной - статора и вращающейся – ротора. Конструкция и электрическая схема соединения представлена на рис.48 и рис.49 соответственно.

Рис. 48
	RВ
Lвоз	IB
RП	IЯ
M
U	I
─	+
Рис. 49
63

Статор представляет собой стальной корпус – станину, на внутренней цилиндрической поверхности которого укреплены сердечники полюсов с полюсными наконечниками. На сердечники надеты катушки, составляющие обмотку возбуждения, подключенную к источнику постоянного тока. Обмотка возбуждения расположена на главных (основных) полюсах и создает основной магнитный поток двигателя. Кроме главных полюсов на станине могут быть дополнительные полюса, предназначенные для улучшения коммутации.

Ротор состоит из якоря и коллектора, которые крепятся на одном валу и в механическом отношении составляют одно целое. Якорь представляет собой цилиндрический сердечник, собранный из листов электротехнической стали для снижения магнитных потерь. В его пазах уложена обмотка, выполненная из отдельных секций соединенных между собой и с коллекторными пластинами.

Коллектор представляет собой цилиндр, составленный из отдельных медных пластин, изолированных друг от друга и от вала якоря. На коллектор накладываются неподвижные графитовые (медно-графитовые) щетки, посредством которых осуществляется соединение обмотки якоря с источником постоянного тока. Коллектор и щетки предназначены для изменения направления тока в проводниках обмотки якоря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности (например, северного полюса) в зону полюса другой полярности – (южного полюса). Благодаря этому сохраняется неизменным направление вращения якоря.

При подключении двигателя к источнику постоянного тока в обмотках возбуждения и якоря появляются токи (IВ и IВ ) В результате взаимодействия тока якоря с магнитным потоком, создаваемым обмоткой возбуждения, возникает сила Ампера и, соответственно, электромагнитный момент вращения:

MЭМ СМ IЯФ,

где СМ - коэффициент, зависящий от конструктивных параметров двигателя; IЯ - ток якоря; Ф - магнитный поток машины.

Полезный вращающий момент на валу двигателя М меньше электромагнитного момента на величину потерь холостого хода

64

М0 , обусловленного механическими и магнитными потерями.

ММЭМ М0 МЭМ .

Вустановившемся режиме момент вращения равен тормозному

моменту

М МТ .

При вращении якоря его проводники пересекают магнитное поле и в них наводится ЭДС Е СЕ nФ, где n - частота вращения якоря; СЕ - величина постоянная для данной машины.

Так как ЭДС направлена против тока якоря, то ее называют противо-ЭДС.

Вопрос 1. Как классифицируются двигатели постоянного тока по способу возбуждения?

Ответ2: Существуют четыре способа возбуждения основного магнитного потока машины:

1.независимого возбуждения,

2.последовательного (с цепью ротора)

3.параллельного (с цепью ротора)

4.смешанного возбуждения

Основные схемы возбуждения представлены на рис.50:

Wво		Wво	Wво
Я	Я		Я
		Рис. 50
Ток обмотки	возбуждения	в	случае независимого	или
параллельного	возбуждения	обычно	составляет 1-5% от	тока

якоря. В случае последовательного возбуждения ток якоря равен току возбуждения.

Вопрос 3. Как возникает электромагнитный момент двигателя? Ответ 3: Электромагнитный момент двигателя М =2·F·h ,

65

где F-сила Ампера , h плечо силы. h= D/2. D -диаметр якорной обмотки.

При подключении к двигателю напряжения в цепи якоря и катушке возбуждения возникают токи IЯ иIВ. Ток возбуждения IВ создает магнитное поле статора. В результате взаимодействия тока якоря IЯ с магнитным потоком Ф, создаваемым обмоткой возбуждения, возникает сила Ампера F~IЯ·Ф. Электромагнитный момент вращения:

MЭМ СМ IЯФ

где СМ - коэффициент, зависящий от конструктивных параметров двигателя; IЯ - ток якоря; Ф - магнитный поток машины.

Полезный вращающий момент на валу двигателя М меньше электромагнитного момента на величину потерь холостого хода М0 , обусловленного механическими и магнитными потерями.

ММЭМ М0 МЭМ .

Вустановившемся режиме момент вращения равен тормозному

моменту

М МТ .

Вопрос 4. Что такое реакция якоря и коммутация машины постоянного тока?

Ответ 4.1: Магнитное поле машины, в котором движутся проводники обмотки якоря, создается не только обмоткой возбуждения, но и обмоткой якоря. При этом поле возбуждения стабильно, а поле якоря изменяется при изменении нагрузки машины. Влияние магнитного поля якоря на поле возбуждения машины называют реакцией якоря. Вследствие реакции якоря симметрия магнитного поля машины нарушается. Происходит усиление магнитного потока под сбегающим краем полюса генератора и ослабление – под набегающим (якорь генератора вращается по часовой стрелке).

Воображаемая линия, проходящая строго посередине между полюсами и лежащая в плоскости, разделяющей магнитную систему машины на две симметричные части называется геометрической нейтралью. Аналогичная линия, проходящая через диаметрально противоположные точки окружности якоря, в

66

которых магнитная индукция равна нулю, называется физической нейтралью.

Вненагруженной машине физическая нейтраль совпадает с геометрической. В нагруженном генераторе физическая нейтраль mm поворачивается относительно геометрической нейтрали nn на угол φ в сторону вращения якоря.

Вдвигателе, при тех же направлениях токов в обмотках якоря и возбуждения ротор двигателя будет вращаться в другую сторону (против часовой стрелки). Правый край северного полюса и левый край южного полюса станут набегающими. Следовательно, в нагруженном двигателе магнитный поток усиливается под набегающим краем полюса и ослабляется под сбегающим краем, а физическая нейтраль поворачивается на угол φ против вращения якоря.

Ответ 4.2: Каждая секция обмотки якоря при его вращении находится поочередно то в одной, то в другой параллельной ветви. Совокупность всех явлений, имеющих место при переключении секций из одной ветви обмотки в другую называется коммутацией, а время в течении которого происходит этот процесс называется периодом коммутации. При прямолинейной коммутации плотность тока в щеточном контакте постоянна, что обеспечивает оптимальные условия работы коллектора. Однако влияние ЭДС самоиндукции и ЭДС, индуцируемой в короткозамкнутой секции магнитным потоком якоря, приводит к криволинейной коммутации, при которой в течении некоторой части периода плотность тока под щетками резко возрастает, что вызывает повышенное искрение под щетками и разрушает коллектор.

Для получения прямолинейной коммутации необходимо скомпенсировать магнитные поля, в которых находится короткозамкнутая секция обмотки якоря. Для этого щетки размещают на геометрической нейтрали, а между главными полюсами машины устанавливают дополнительные полюсы, обмотки которых включают последовательно с обмоткой якоря. Магнитный поток дополнительных полюсов пропорционален току нагрузки и компенсация достигается при всех режимах работы машины.

67

Помимо электрических причин на коммутацию влияют механические дефекты и значения сопротивления щеток. Наиболее приемлемыми являются металло-графитовые щетки. Несмотря на все предупредительные меры, полностью устранить искрение под щетками не удается. Особенно опасен для машины «круговой огонь» по коллектору. Увеличение искрения под щетками приводит к подгоранию коллектора и в результате возникает дуговой разряд, обмотка машины замыкается накоротко, а ток в обмотке якоря становится недопустимо большим.

Вопрос 5. Объясните процесс пуска двигателя в ход.

Ответ 5. В момент включения двигателя в сеть, когда он еще не

вращается (n=0) противо-		э.д.с.	еще	нет	(Е=с·n·Ф) и
следовательно	ток якоря	определяется		только	приложенным
напряжением U к якорю :
	Iя =U/Rя
Iяпусковой ток якоря. Т.к		сопротивление Rя			обмотки якоря
мало, то пусковой ток Iя может быть очень					большим	и
представляет	опасность для двигателя			и коллектора.		Для

ограничения пускового тока последовательно с якорной цепью включают пусковой реостат Rп (рис7.15). Сопротивление пускового реостата Rп выбирают таким, чтобы пусковой ток не превышал номинальный более чем в 1,2-2 раза.

Iя =U/(Rя+ Rп)

Начальный пусковой момент двигателя при этом так же будет превышать номинальный момент в 1,2-2 раза. По мере разгона двигателя вследствие нарастания противо-ЭДС ток якоря будет уменьшаться:

I U E .

Я RЯ RП

Вопрос 6. Какими способами можно регулировать частоту вращения двигателя параллельного возбуждения и каковы преимущества и недостатки каждого из них?

Ответ 6: Частота вращения двигателя параллельного возбуждения определяется по выражению:

n U RЯ IЯ ,

СЕФ

68

из которого видно, что регулировать частоту вращения ротора можно тремя способами:

а) изменяя подводимое напряжение U,

б) изменяя сопротивление в цепи якоря (Rя + Rр) в) изменяя величину магнитного потока полюсов.

Графики зависимости частоты вращения n от указанных параметров приведены на рис.51, 52, 53 соответственно.

n	n	n
U	Rр	Ф
Рис. 51	Рис.52	Рис. 53

Вопрос 7 .Объясните процесс саморегулирования двигателя. Ответ 7 .Саморегулированием двигателя называется способность реагировать на изменение нагрузки на валу так, чтобы

нарушенное равенство моментов вновь восстановилось.

При работе двигателя в установившемся режиме момент вращения равен тормозному моменту: М=Мт.

Если нагрузка на валу увеличится (т.е. увеличился Мт), скорость вращения несколько уменьшится. Это приведет к уменьшению противо-ЭДС и соответственно к увеличению тока якоря. Увеличение тока якоря увеличивает вращательный момент М. Это будет происходить до тех пор пока моменты тяги и сопротивления вновь не сравняются. В случае уменьшения нагрузки на валу( т.е. уменьшился Мт), процесс будет происходить в обратном порядке. Уменьшение нагрузки на валу ведет к увеличению скорости вращения, что ведет к увеличению противоЭДС и уменьшению тока якоря, что в свою очередь приводит к уменьшению момента тяги М. Это будет происходить до тех пор, пока моменты тяги и сопротивления вновь не сравняются.

Вопрос 8 . Как производится реверсирование двигателя?

***)Реверсизменение направления вращения Ответ 8 Для изменения направления вращения двигателя

необходимо изменить направление тока в обмотке якоря или в обмотке возбуждения путем переключения концов обмоток. Одновременное изменение полярностей не изменяет направление вращения.

69

***) Нельзя разрывать цепь обмотки возбуждения работающего двигателя это может привести (при малых нагрузках) к большим оборотам, а при больших нагрузках к большому току якоря из-за уменьшения противо-ЭДС . Оба обстоятельства могут привести к аварии.

Вопрос 9 Объясните характеристики двигателя: характеристику холостого хода п(IВ ), рабочие характеристики п(Р2), IД (Р2), М(Р2 ),

(Р2), механическую п(М) и регулировочную IВ (IЯ ).

Ответ 9.1 Характеристика холостого хода представляет собой зависимость скорости вращения от тока возбуждения при постоянном номинальном напряжении и холостом ходе двигателя (Мн=0). п(IВ )U const,MH 0

При холостом ходе когда падение напряжения в якоре Rя· Iя мало можно считать, что скорость вращения n=1/Ф . Магнитный поток в зависимости от тока возбуждения изменяется по кривой намагничивания (близкой к параболе), то скорость вращения n будет изменятся по кривой близкой к гиперболе (рис.54).

n

Iв

Рис.54

Ответ 9.2 Рабочая характеристика п( Р2 )-это зависимость скорости вращения n от полезной мощности на валу двигателя Р2 при постоянном номинальном напряжении и постоянном токе возбуждения.

Частота вращения двигателя параллельного возбуждения определяется по выражению

nU RЯ IЯ

СЕФ

При постоянном номинальном напряжении и постоянном токе возбуждения увеличение нагрузки на валу Р2 приводит ( в силу процесса саморегулирования) к увеличению тока якоря и скорость должна уменьшиться, однако из-за реакции якоря магнитный поток

70