2412 ЭИ

2412	Министерство транспорта Российской Федерации
	Федеральное агентство железнодорожного транспорта

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВНИЯ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра «Электротехника»

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению лабораторной работы по дисциплине

«Электрические машины и электропривод» для студентов специальностей «Локомотивы», «Вагоны»,

«Электрический транспорт железных дорог» очной и заочной форм обучения

Составители: Т. Н. Буштрук А. Е. Дубинин

Самара

2009

1

УДК 621.313.333

Буштрук, Т. Н. Исследование двигателя постоянного тока независимого возбуждения : методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Электрические машины и электропривод» для студентов специальностей «Локомотивы», «Вагоны», «Электрический транспорт железных дорог» очной и заочной форм обучения / Т. Н. Буштрук, А. Е. Дубинин. – Самара : СамГУПС, 2009. – 19 с.: ил. Библиогр.: 19 с. – 300 экз.

Утверждены на заседании кафедры «Электротехника» 14.09.2009 г., протокол № 01. Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Методические указания разработаны в соответствии с программой, утвержденной учебно-методическим управлением по специальностям железнодорожного транспорта. Методические указания содержат необходимые краткие теоретические сведения по двигателям постоянного тока и методику проведения эксперимента.

Составители: Татьяна Николаевна Буштрук Александр Ефимович Дубинин

Рецензенты: д.т.н., профессор СамГТУ, заведующий кафедрой «Электромеханика и автомобильноеэлектрооборудование» АбакумовАлександрМихайлович; к.т.н., профессор СамГУПС, заведующий кафедрой «Муниципальный пассажирский транспорт» Привалов Сергей Александрович

Под редакцией заведующего кафедрой

Подписано в печать 08.10.2009. Формат 60×90 1/16. Усл. печ. л. 1,2. Тираж 300 экз. Заказ № 189.

© Самарский государственный университет путей сообщения, 2009

2

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания предназначены для проведения лабораторных работ по исследованию характеристик двигателей постоянного тока согласно программе курса «Электрические машины и электропривод».

Электрические двигатели постоянного тока широко применяют в производстве, городском и железнодорожном транспорте. Основное достоинство двигателей постоянного тока – в возможности плавного регулирования частоты вращения и получения больших пусковых моментов.

В настоящих методических указаниях приведены краткие теоретические сведения о принципе действия, устройстве двигателей постоянного тока и программа проведения экспериментов. Лабораторные работы выполняются на специализированном оборудовании и являются частью цикла работ по электротехническим дисциплинам.

К выполнению лабораторной работы следует приступить после тщательной проработки соответствующего раздела курса по одному из рекомендуемых учебников и лекционному материалу.

Внимание! Категорически запрещается в настоящих методических указаниях делать какие-либо пометки в тексте, на рисунках, заполнять образцы таблиц и т. п.

Цель работы: изучение принципа действия и устройства двигателя постоянного тока независимого возбуждения, приобретение практических навыков по определению рабочих, электромеханических и механических характеристик.

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Электрические машины постоянного тока (МПТ) используют как в качестве генераторов, так и двигателей − это свойство обратимости. Наибольшее применение нашли двигатели постоянного тока (ДПТ), работающие в диапазоне мощности от долей ватт (в устройствах автоматики) до нескольких тысяч киловатт (в приводах металлургии, горнодобывающей промышленности, транспорте). Их широкое использование обусловлено большой перегрузочной способностью, хорошими пусковыми свойствами и возможностью плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне.

МПТ (двигатель) является коллекторной машиной. Коллектор − это механический преобразователь переменного тока в постоянный (механический выпрямитель) и наоборот − (инвертор). Применение коллектора обусловлено тем, что в обмотке якоря должен протекать переменный ток, так как только в этом случае будет осуществляться непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии [1].

Принцип действия ДПТ рассмотрен на упрощенной модели, показанной на рисунке 1. Между полюсами (1) N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть двигателя – якорь (2) и коллектор (3). В продольных пазах на сердечнике якоря располо-

3

жена обмотка в виде одного витка (5), концы которого присоединены к двум медным изолированным друг от друга полукольцам, образующим простейший коллектор (3). На поверхность коллектора наложены щетки (4), осуществляющие скользящий контакт с коллектором и связывающие обмотку якоря с внешней цепью. Если к щеткам машины подвести напряжение от внешнего источника постоянного тока, то в обмотке якоря появится ток Iа. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем, создаваемым магнитом NS, возникнут электромагнитные силы Fэм. Каждая из этих сил действует на виток (5) обмотки якоря и в совокупности создает на якоре электромагнитный момент М, который приводит якорь во вращение. Таким образом, взаимодействие тока якоря с магнитным полем возбуждения создает на якоре электромагнитный момент.

После поворота якоря на 180о электромагнитные силы не изменяют своего направления, так как одновременно с переходом проводника обмотки якоря из зоны действия одного магнитного полюса в зону другого, меняется направление тока в проводниках. Рассмотренная упрощенная модель МПТ не обеспечивает устойчивой работы двигателя, так как при прохождении проводниками обмотки якоря геометрической нейтрали пп′ электромагнитные силы Fэм = 0 (магнитная индукция в середине межполюсного пространства равна нулю). Но с увеличением числа проводников обмотки якоря и числа пластин коллектора вращение якоря двигателя становится устойчивым и равномерным.

Рисунок 1 − Принцип действия ДПТ

Устройство МПТ показано на рисунке 2. МПТ отличаются по функциональному назначению – двигатель и генератор, но общая конструктивная схема машин одинакова. ДПТ состоит из неподвижной части – статора, и вращающейся части – якоря. Статор состоит из станины (6) и главных полюсов (4). Станину изготовляют из стали – материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью; она служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода, так как через неё замыкается магнитный поток машины.

Главные полюсы предназначены для создания в машине магнитного поля возбуждения и состоят из сердечника (4) и обмотки возбуждения (5). Со стороны, обращённой к

4

якорю, сердечник полюса имеет полюсной наконечник, который обеспечивает необходимое распределение магнитной индукции в зазоре машины. Сердечники главных полюсов выполняют шихтованными из листовой конструкционной стали толщиной 1 2 мм или из тонколистовой электротехнической анизотропной холоднокатаной стали, например марки 3411. Штампованные пластины главных полюсов специально не изолируют, так как тонкая плёнка оксида на их поверхности достаточна для значительного ослабления вихревых токов, наводимых в полюсных наконечниках, за счёт пульсации магнитного потока, вызванного зубчатостью сердечника якоря. Анизотропная сталь обладает повышенной магнитной проницаемостью вдоль проката. Пониженная магнитная проницаемость поперёк проката способствует ослаблению реакции якоря и уменьшению потока рассеяния главных и добавочных полюсов.

Рисунок 2 – Устройство машины постоянного тока:

1 – коллектор; 2 – щётки; 3 – сердечник; 4 – сердечник полюса; 5 – катушка возбуждения; 6 – станина; 7, 12 – подшипниковые щиты; 8 – вентилятор; 9 – обмотка якоря; 10 – вал; 11 – лапы для крепления

Якорь ДПТ состоит из вала (10), сердечника (3) с якорной обмоткой и коллектора

(1). Сердечник якоря имеет шихтованную конструкцию, его набирают из штампованных пластин тонколистовой электротехнической стали. Готовый сердечник напрессовывают на вал якоря. Такая конструкция сердечника якоря позволяет значительно ослабить в нём вихревые токи, возникающие в результате его перемагничивания в процессе вращения в магнитном поле. На поверхности сердечника якоря имеются продольные пазы, в которые укладывают обмотку якоря. Обмотку выполняют из медного провода круглого или прямоугольного сечения. Пазы якоря после заполнения их проводами обмотки обычно закрывают клиньями (текстолитовыми или гетинаксовыми). В некоторых машинах на поверхность якоря накладывают бандаж из проволоки или стеклоленты. Лобовые части

5

(9) обмотки якоря крепят к обмоткодержателям бандажом. Проводники обмотки якоря соединяются с коллекторными пластинами.

Основными элементами коллектора (1) являются пластины трапецеидального сечения из твердотянутой меди, собранными в цилиндрическую форму и разделенные миканитовыми прокладками. Электрический контакт с коллектором осуществляется посредством щеток (2). Плотный и надежный контакт между щеткой и коллектором – необходимое условие бесперебойной работы машины. Давление на щетку должно быть отрегулировано, иначе чрезмерный нажим вызовет преждевременный износ щетки и перегрев коллектора, а недостаточный – искрение на коллекторе.

В большинстве МПТ (двигатель) магнитное поле возбуждения создается обмоткой возбуждения, питаемой постоянным током. Свойства МПТ (двигателя) в значительной степени определяются способом возбуждения, т. е. схемой включения обмотки возбуждения относительно обмотки якоря. В зависимости от способа возбуждения ДПТ разделяют: а) на двигатели независимого возбуждения, б) параллельного (шунтового) возбуждения, в) последовательного (сериесного) возбуждения, г) смешанного (компаундного) возбуждения (рисунок 3).

а)		б)		в)		г)	д)

Рисунок 3 – Способы возбуждения ДПТ и схема подключения ДПТ с независимым возбуждением

В двигателях постоянного тока независимого возбуждения (ДПТНВ)

напряжение возбуждения Uв отличается от напряжения U, подведенного к цепи якоря, поэтому применяют независимое возбуждение. В этом случае обмотка возбуждения ОВ не имеет электрической связи с обмоткой якоря (рисунок 3). Применение в двигателе того или иного способа возбуждения определяется схемой электропривода.

Основные понятия. При подключении двигателя к источнику постоянного тока в обмотке возбуждения и в обмотке якоря машины появятся токи. Взаимодействие тока якоря с магнитным полем возбуждения создаст на якоре электромагнитный момент М, который будет не тормозящим, а вращающим

М= cмIaΦ,

где cм – конструктивная постоянная, Ia – ток якоря, Φ – магнитный поток.

6

U = Ea + IaΣr,

Под действием электромагнитного момента М якорь машины начнет вращаться, т. е. двигатель будет потреблять из сети электрическую энергию и преобразовывать в механическую. При этом в обмотке якоря индуцируется ЭДС, направление которой противоположно току якоря Ia и поэтому ее называют противо-ЭДС. Основное уравнение двигателя, работающего с постоянной частотой вращения, имеет вид

(1)

где U − питающее напряжение, Ea − индуцируемая ЭДС, Σr − сумма сопротивлений всех участков цепи якоря. Из этого уравнения следует, что подведённое к двигателю напряжение уравновешивается противо-ЭДС обмотки якоря и падением напряжения в цепи

якоря. На основании (1) ток якоря
Ia = (U – Ea ) / Σr.	(2)
Умножив обе части уравнения (1) на ток якоря Iа, получим уравнение мощности для
цепи якоря двигателя постоянного тока:
UIа = Iа2Σr + EaJa,	(3)

где UIa − мощность в цепи обмотки якоря; Iа2Σr − мощность электрических потерь в цепи якоря.

Учитывая Ea = (pN/60a)Φn = ceΦn и cм = pN/(2π a) (ce – постоянная для данной машины, n – частота вращения якоря), в результате преобразований получим

EaIa= (pN/60a)ФnIa=(pN/60a)Ф(60ω/2π)Ia,

или

EaIa= (pN/60a)ФnIa ω=cм ФnIa ω=Mω,

окончательно получим
EaIa = Mω = Рэм,	(4)

где ω = 2πn/60 – угловая скорость вращения якоря; Рэм – электромагнитная мощность двигателя. Следовательно, выражение ЕаIа является электромагнитной мощностью двигателя. Преобразовав выражение (3), с учетом (4) получим

UIа = Mω + Iа2Σr.

Анализ этого уравнения показывает, что с повышением нагрузки на вал двигателя, т. е. с увеличением электромагнитного момента М, возрастает мощность в цепи обмотки якоря UIа, т. е. мощность на входе двигателя. Но так как напряжение, подводимое к двигателю, поддерживается неизменным (U = const), то увеличение нагрузки двигателя сопровождается ростом тока в обмотке якоря Iа.

Подставив выражение ЭДС Еа = сеФп в формулу (1) и выразив частоту вращения двигателя (об/мин), получим

n = (U – IаΣr)/ сеФ,	(5)
7

т. е. частота вращения двигателя прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку возбуждения. Физически это объясняется тем,

что повышение напряжения U или уменьшение потока Ф вызывает увеличение разности (U – Еа), что в свою очередь ведет к росту тока Iа. Вследствие этого возросший ток повышает вращающий момент, и если при этом нагрузочный момент остается неизменным, то частота вращения двигателя увеличивается.

Направление вращения якоря зависит от направлений магнитного потока возбуждения Ф и тока в обмотке якоря Iа. Поэтому, изменив направление какой-либо из указанных величин, можно реверсировать двигатель, т. е. изменять направление вращения его якоря. Но при одновременном изменении направления тока в цепи якоря и в обмотке возбуждения направление вращения якоря двигателя остается прежним.

Эксплуатационные свойства ДПТ определяются их рабочими и механическими характеристиками.

Рабочие характеристики представляют собой зависимости частоты вращения п, тока Iа в обмотке якоря, коэффициента полезного действия η, момента М2, подводимой мощности Р1 от полезной мощности двигателя Р2 при неизменных значениях напряжения питания U и тока в обмотке возбуждения Iв (рисунок 4, а) [2].

Характеристика п = f(P2) имеет вид кривой, наклоненной к оси абсцисс. Такая форма характеристики объясняется тем, что с ростом нагрузки двигателя Р2 увеличивается ток якоря Iа , следовательно, возрастает падение напряжения в цепи якоря IаΣr. В итоге уменьшается числитель (5), что ведет к снижению частоты вращения. Одновременно с ростом нагрузки усиливается реакция якоря; это уменьшает основной магнитный поток Ф, что способствует увеличению частоты вращения. В двигателях малой мощности с небольшим магнитным насыщением размагничивающее влияние реакции якоря невелико и характеристика п = f(P2) имеет вид кривой, слабо наклоненной к оси абсцисс. В двигателях мощностью в несколько киловатт и более реакция якоря проявляется значительнее, и с ростом нагрузки в определенном диапазоне частота вращения двигателя будет возрастать, и двигатель начнет работать неустойчиво. Для преодоления этого недостатка двигатели снабжаются лёгкой (несколько витков) стабилизирующей обмоткой, включенной последовательно в цепь якоря, чтобы её МДС FCT была направлена согласно с МДС обмотки возбуждения FB. При увеличении нагрузки одновременно с усилением реакции якоря увеличивается МДС стабилизирующей обмотки FCT, которая компенсирует размагничивающее действие реакции якоря.

Характеристика момента М2 = f(P2) определяется выражением полезного момен-

та (момента на валу) (Н·м):
М2 = Р2/ω = 9,55Р2/n,	(6)

где п – частота вращения якоря, об/мин.

8

Если п =const, то график М2=f(P2) представляет собой прямую линию, выходящую из начала осей координат. Однако с ростом нагрузки двигателя частота вращения уменьшается, что приводит к нелинейности рассматриваемой характеристики.

Характеристика тока якоря Iа = f(Р2) не выходит из начала осей координат, так как в режиме холостого хода (Р2 = 0) двигатель потребляет из сети ток холостого хода I0 и развивает момент холостого хода М0, обусловленный механическими и магнитными потерями в двигателе.

а)

б)

в)

г)

Рисунок 4 – Характеристики ДТПНВ:

а– рабочие; б – механические, с введением добавочного сопротивления,

в– при ослаблении магнитного поля; г – при изменении питающего напряжения

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения якоря п от электромагнитного момента М при неизменных напряжении питания (U = соnst) и сопротивлении реостата в цепи возбужде-

ния (rрег = const). Подставив в (5) значение тока якоря Iа = М/(смФ), получим
п=U /(ceΦ) − МΣr/(се см Φ2) = п0 − п,	(7)

где п0 = U/сеΦ − частота вращения двигателя при идеальном холостом ходе (М=0, Iа = 0); п= [МΣr/(се см Φ2)] − перепад частоты вращения якоря, вызванный действием статического нагрузочного момента рабочей машины Мс.

9

Скоростная характеристика ДПТ вида п = f(Ia) является зависимостью частоты вращения п от тока в обмотке якоря при неизменном токе возбуждения и номинальном подведенном напряжении. Уравнение скоростной характеристики п= f(Ia) имеет вид

п=(U – IаΣr)/ceΦ.

Врежиме идеального х. х. ток в цепи якоря Ia = 0, следовательно, и момент М = 0, поэтому частота вращения в режиме идеального х. х.

п0 =U /(ceΦ).

Уравнения скоростной и механической характеристик можно привести к виду

п= п0 − п.

Зависимость	пот тока нагрузки определяется выражением
	п= [IаΣr/(сеΦ)].	(8)
Зависимость	пот момента нагрузки имеет вид
	п= [МΣr/(се см Φ2)].	(9)

Если пренебречь размагничивающим действием реакции якоря и принять магнитный поток в двигателе неизменным, то механическая и скоростная характеристики ДПТ независимого (параллельного) возбуждения примут вид прямых с наклоном к оси абсцисс. Такие характеристики называются естественными.

Естественные механическая и скоростная характеристики ДПТНВ «жесткие», так как при увеличении нагрузки на валу двигателя до номинальной, частота вращения при сравнительно небольшом падении напряжения в цепи якоря изменяется незначительно (5 – 10 %).

Если в цепь якоря двигателя ввести добавочное сопротивление Rдоб, R = Σr + Rдоб, то влияние нагрузки на величину п становится более значительным (ведет к уменьшению частоты вращения п − см. (7)), и характеристики становятся мягкими; их угол наклона к оси абсцисс увеличивается. Полученные таким образом характеристики называют искусственными (реостатными). При этом, чем больше сопротивление резистора Rдоб, тем мягче механические характеристики (рисунок 4, б).

На форму механических характеристик влияет основной магнитный поток Ф, при уменьшении которого увеличиваются как частота вращения идеального холостого хода п0, так и перепад частоты вращения n, вызванный нагрузкой двигателя. При этом, если п0 обратно пропорциональна магнитному потоку Ф, то n обратно пропорционально Ф2. Такая зависимость слагаемых выражения (7) от магнитного потока Ф приводит к резкому изменению жесткости механической характеристики (рисунок 4, в).

При изменении напряжения U, подводимого к цепи якоря, частота вращения идеального холостого хода п0 изменяется пропорционально изменению этого напряжения. Перепад частоты вращения n от напряжения U не зависит и при изменении U остается неизменным. В итоге наклон механических характеристик («жесткость») не меняется, и они смещаются вдоль оси ординат, оставаясь параллельными друг другу (рисунок 4, г).

10