УМК - ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА / Лабораторно-практические занятия / ЭМ - 2

7

Лабораторная работа № 2-3.

Исследование машины постоянного тока

с независимым возбуждением

Цель работы: исследовать характеристики машины постоянного тока с независимым возбуждением в различных режимах работы

1. Основные теоретические положения

В машинах постоянного тока с независимым возбуждением питание обмотки возбуждения осуществляется от отдельного источника, к ним также относятся машины с постоянными магнитами.

Важнейшими их характеристиками являются: электромеханические (скоростные) и механические характеристики, которые представляют собой зависимости частоты вращения от тока якоря , и от электромагнитного момента соответственно:

; (1)

, (2)

где – сумма собственного сопротивления обмотки якоря, и всех включенных последовательно с ней сопротивлений.

При условии неизменности основного потока возбуждения характеристики, описываемые этими уравнениями, подобны, и представляют собой прямые линии, а момент прямо пропорционален току:

, (3)

где величина С_МФ_в представляет собой постоянный коэффициент пропорциональности, определяемый по паспортным данным МПТ:

. (4)

При независимом возбуждении возможны следующие режимы: двигательный, генераторного (рекуперативного) торможения; динамического торможения; торможения противовоключением. Признаком тормозных режимов является противоположное направление развиваемого МПТ момента и частоты вращения якоря. Характеристики МПТ НВ в этих режимах располагаются в четырех квадрантах (рис.1).

Характеристика 1 при называется естественной, располагается в 1-м квадранте, и продолжается во 2-м и 4-м квадрантах. Ее координаты определяются двумя точками. На оси абсцисс это точка с координатами ; и частотой вращения идеального холостого хода, которая равна:

. (5)

Вторая точка соответствует моменту пуска двигателя, который, эквивалентен режиму короткого замыкания обмотки якоря. При этом:

; ; . (6)

Участок характеристики, заключенный между этими точками, соответствует двигательному режиму работы с прямым направлением вращения, продолжение ее во 2-м квадранте − генераторному (рекуперативному) торможению, продолжение в 4-м квадранте (на рис. 3.2 не показано) − торможению противовключением. Характеристика 2, расположена в 3-м квадранте, продолжается во 2-м и 4-м квадрантах, является зеркальным отображением характеристики 1, и соответствует обратному направлению вращения якоря МПТ. Искусственную характеристику 3 получают путем введения в цепь якоря добавочных сопротивлений. Аналогично характеристике 1 она располагается в 1-м (двигательный режим), 2-м (генераторное торможение), и 4-м (торможение противовключением) квадрантах. Увеличение наклона характеристики приводит к изменению второй координаты:

; . (7)

Характеристика 4 является зеркальным отображением характеристики 3, и описывает те же режимы работы, но при обратном направлении вращения машины в режиме двигателя.

Характеристики 5 и 6 соответствуют режиму динамического торможения при отсутствии (5) и наличии (6) добавочного сопротивления в цепи якоря. При динамическом торможении обмотка якоря замыкается на сопротивление, и ток в ней изменяет направление. Одна координата всего семейства характеристик находится в начале координат, а вторая определяется по формулам:

; , (8)

где n_нач − частота вращения в момент начала торможения.

В двигательном режиме работы направление электромагнитного момента совпадает с направлением частоты вращения, ток потребляется из сети.

Режим рекуперативного торможения возникает, если под действием внешнего момента частота вращения якоря превысит частоту идеального холостого хода. Для исследований этого режима в лабораторных условиях необходимо, чтобы нагрузочная машина работала в режиме двигателя. Направление вращения якоря исследуемой и нагрузочной машин должно быть одинаковым, а частоту вращения с помощью нагрузочной машины нужно увеличить таким образом, чтобы она стала больше частоты идеального холостого хода исследуемой машины, момент ИМ при этом изменяет знак на противоположный.

Торможение противовключением достигается в том случае, если: 1 – под действием внешнего момента направление вращения якоря изменится на противоположное (характеристика является продолжением двигательного режима в четвёртом квадранте); 2 – в результате изменения полярности тока якоря по отношению к магнитному потоку при вращающемся якоре развиваемый машиной момент становится противоположным по знаку направлению вращения (характеристика является продолжением двигательного режима с обратным направлением вращения во втором квадранте). Если питание якоря не отключить, когда частота вращения уменьшится до нуля, машина перейдёт в двигательный режим с обратным направлением вращения. Для ограничения тока при торможении противовключением в цепь якоря добавочное сопротивление. Для исследования этого режима необходимо включить нагрузочную машину таким образом, чтобы направление вращения якоря у неё было противоположным по отношению к исследуемой машине, а развиваемый ею момент превышал момент исследуемой машины.

Динамическое торможение осуществляется путём отключения обмотки якоря от питающей сети и быстром замыкании её на тормозное сопротивление при неизменном потоке возбуждения. Вращающий момент изменяет знак на противоположный. При исследовании режима динамического торможения поток возбуждения остается неизменным, а якорь исследуемой машины отключается от источника питания, замыкается на тормозное сопротивление, и приводится во вращение с помощью нагрузочной машины.

Схема экспериментальной установки для исследования этих режимов показана на рис. 2.

2. Порядок выполнения работы

2.1. Записать паспортные данные исследуемой электрической машины. Произвести необходимые расчёты и построить скоростные характеристики для различных режимов работы машины, как это показано на рис. 1. Поток возбуждения и напряжение принять равными номинальным значениям, добавочное сопротивление измерить, а сопротивление якоря рассчитать по формуле:

.

2.2. Подготовить стенд к работе, для чего:

• установить переключатель пускового реостата в крайнее левое положение (максимальное сопротивление);

• установить рукоятки регуляторов тока возбуждения ИМ и НМ в крайнее правое положение (максимальный ток возбуждения);

• установить с помощью фазорегулятора минимально возможное напряжение.

2.3. Собрать схему изображённую на рис. 2, (не подключая вначале исследуемую машину к источнику питания!) Произвести пробный пуск нагрузочной машины и определить направление её вращения

2.4. Подключить питание к исследуемой машине и произвести её пробный пуск (не включая нагрузочную машину!). Направление вращения машин должно быть одинаковым. В противном случае следует изменить полярность обмотки якоря или обмотки возбуждения исследуемой машины и повторить опыт.

2.5. Постепенно повышая напряжение на зажимах НМ и увеличивая обороты, произвести замеры тока и частоты вращения:

• в двигательном режиме (ток положителен, частота вращения меньше частоты вращения идеального х.х.);

• в режиме идеального холостого хода (частота вращения равна частоте идеального х.х., ток равен нулю);

• в генераторном режиме (частота вращения превышает частоту идеального х.х., ток изменяет знак).

2.6. Ввести в цепь якоря исследуемой машины максимальное добавочное сопротивление и изменить направление её вращения

2.7. Уменьшить подводимое к якорю нагрузочной машины напряжение до минимума и произвести пуск. Постепенно повышая напряжение, добиться снижения частоты вращения до нуля и затем перевести исследуемую машину в режим торможения противовключением. Произвести необходимые измерения.

2.8. Якорь исследуемой машины отключить от источника питания и замкнуть на тормозное сопротивление, оставив при этом включенной обмотку возбуждения. Постепенно увеличивая напряжение, подводимое к нагрузочной машине, произвести измерения тока и частоты вращения в режиме динамического торможения.

2.9. Характеристики, полученные опытным путем, построить на том же графике, что и расчетные. Сделать выводы.