Федеральное агентство  по образованию ГОУ ВПО

«Уфимский государственный  авиационный технический университет»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Методические указания по выполнению

лабораторной работы

 

 

 

 

Исследование режимов работы двигателей постоянного тока с независимым и последовательным возбуждением

 

 

 

 

 

Приложение к стенду ИДПТ-У

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уфа


 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

1.   Цель работы

 

3

2.   Приборы и оборудование

 

4

3. Теоретическая часть

 

5

4. Описание лабораторного

стенда СДПТ - 3

 

 

30

5. Указания по выполнению

работы

 

 

40

6. Указания по оформлению

отчета

 

57

7. Контрольные вопросы

 

59

8. Список использованной              

литературы

 

60

 


 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Изучение основных характеристик и режимов работы двигателей постоянного тока (ДПТ)  с независимым возбуждением (НВ) и последовательным возбуждением (ПВ), практическое ознакомление с двигательным режимом, режимами торможения противовключением (тормозной спуск), генераторного (для ДПТ с НВ) и динамического торможения, с реостатным регулированием скорости вращения ДПТ, методами экспериментального получения электромеханических и механических характеристик ДПТ в указанных режимах.


2. ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

    

Лабораторный стенд ИДПТ-У состоит из приборного блока и электромеханического агрегата.

Основные технические характеристики двигателя МБП - 3Ш - Н
Напряжения питания, В  

24

Мощность, Вт

180

Ток потребления, не более, А

15

Частота вращения вала,  об/мин

6300±500

Момент на валу, кГсм

3,0

Сопротивление обмотки якоря при 20'С, Ом

0,2

 

 

 


 

3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1. Конструкция ДПТ

ДПТ состоит из трех основных частей: статора с обмоткой возбуждения, ротора с якорной обмоткой и щеточно-коллекторного узла, необходимого для подведения напряжения к обмотке якоря (далее ОЯ). При этом щетки неподвижны, а коллектор жестко связан с якорем.

В ДПТ для улучшения условий коммутации могут быть также предусмотрены и дополнительные полюса, а для компенсации поперечной реакции якоря и компенсационные обмотки на полюсах статора.

В зависимости от способа электромагнитного возбуждения ДПТ подразделяют на ДПТ с НВ, ПВ и смешанным возбуждением. Иногда встречается название «ДПТ с параллельным возбуждением», однако такой ДПТ является частным случаем ДПТ с НВ и этот термин применяется как доопределяющий.

В данной работе исследуются ДПТ с НВ и ПВ.

3.2. Уравнение электромеханической характеристики ДПТ с НВ

Схема включения ДПТ с НВ представлена на рис. 3.1

 

Рис. 3.1. Схема включения ДПТ с НВ.

 

Для ДПТ с НВ справедлива система уравнений, описывающая его  статическое состояние:

                                                                           (3.1)

где  - напряжение питания якорной цепи, В;  - суммарное сопротивление якорной цени, Ом, ,  - сопротивления обмотки якоря,  - добавочное сопротивление в цепи якоря;  - электромагнитный момент, Нм;  ток якоря, А; - угловая скорость вращения двигателя, рад/с;  - ЭДС вращения якоря, В;  и   -  коэффициенты  пропорциональности;  - постоянная ДПТ ( -  число пар полюсов;  - число активных проводников обмотки якоря;  -  число пар параллельных ветвей обмотки якоря );.

При использовании системы СИ имеет место численное равенство коэффициентов пропорциональности, которые можно обозначить  : , где  - конструктивный коэффициент двигателя,  - магнитный поток, Вб.

Решая совместно первые два уравнения в системе (3.1) можно получить уравнение электромеханической характеристики ДПТ, которое определяет зависимость :

                                                             (3.2)

3.2.1. Графическое изображение электромеханической характеристики

 

Из пропорциональной связи между  и  следует, что графики механической и электромеханической характеристик ДПТ с НВ при соответствующем масштабировании по оси абсцисс величин  и  совпадают, поэтому часто обозначение оси абсцисс приводится как  .

Из анализа уравнения электромеханической характеристики (3.2) следует, что она может быть представлена прямой линией (рис. 3.2) при неизменных ,  и .

Если  и , то электромеханическая характеристика называется естественной. При изменении хотя бы   одного   из   указанных   параметров электромеханическая характеристика называется искусственной. Таким образом, ДПТ с НВ обладает лишь одной естественной характеристикой и множеством искусственных.

Рис. 3.2. Механические (электромеханические) характеристики ДПТ с НВ в двигательном режиме при различных значениях добавочного сопротивления <.

 

3.2.2. Анализ уравнений электромеханической характеристики

Скорость холостого хода

При  имеет место режим идеального холостого хода и при этом

                                                         (3.3)

Ток короткого замыкания

С увеличением нагрузки на валу ДПТ возрастает и ток якоря , т.к. , а это в свою очередь ведет к снижению . Если к якорю подведено напряжение, то  при  имеет место режим короткого замыкания, при котором, как следует из (3.2), ток короткого замыкания (называемый также пусковым током)

.                                                                                        (3.4)

Максимальное значение тока короткого замыкания имеет место при , когда , и оно может в десятки раз превышать величину номинального значения  тока якоря двигателя, т. к.  величина сравнительно малая.

Реально режим короткого замыкания имеет место кратковременно, при пуске двигателя и при стопорении двигателя моментом сопротивления.

 

Ограничение величины

При прямом пуске двигателя значения тока , поэтому якорная обмотка может быстро перегреться и выйти из строя. Кроме того, большие токи негативно влияют и на работоспособность щеточно-коллекторного узла.

Это обуславливает необходимость ограничения  до  допустимой величины либо введением дополнительного сопротивлений в якорную цепь , либо уменьшением значения питающего напряжения .

Величина максимально допустимого тока  определяется коэффициентом перегрузки по току

,                                                                                             (3.5)

обычно принимающим значения от 2 до 5, в зависимости от типа двигателя.

Максимально допустимый ток короткого замыкания должен соответствовать неравенству

 .                                                   (3.6)

Для микродвигателей обычно осуществляется прямой пуск без добавочных сопротивлений, но с ростом габаритов ДПТ необходимо производить реостатный пуск, особенно если привод с ДПТ используется в напряженных режимах с частыми пусками и торможениями.

Практически следует помнить, что, если не ограничивать пусковые токи, то частыми пусками можно сжечь обмотку якоря ДПТ.

С введением   в цепь якоря жесткость электромеханической характеристики уменьшается, что и видно на рис. 3.2.

3.3. Уравнение механической характеристики ДПТ с НВ

С учетом третьего уравнения в (4.1) уравнение (3.2) можно переписать в виде зависимости    - которая представляет собой механическую характеристику ДПТ:

                                                                      (3.7)

Данное уравнение определяет зависимость угловой скорости вращения от момента на валу двигателя. Т.к. в статике вращающий момент  равен моменту сопротивления  на налу ДПТ, то это уравнение определяет зависимость   от  .

Следует отметить, что величина электромагнитного момента  превышает выходной момент на валу на величину, соответствующую потерям в стали и механическим потерям от трения, но в большинстве практических расчетов указанными потерями можно пренебречь.

Коэффициент пропорциональности  можно считать постоянным для тех ДПТ с НВ, у которых имеются компенсационные обмотки или в случае, когда можно пренебречь влиянием реакции якоря на величину . В общем же случае влияние поперечной реакции якоря на величину магнитного потока   ведет к нарушению линейности механической характеристики по мере увеличения тока.

3.3.1. Графическое изображение механической характеристики

Из выражения (3.7) следует, что графически механическая характеристика ДПТ с НВ может быть представлена прямой линией с двумя характерными точками - скоростью холостого хода и моментом короткого замыкания , который также называется пусковым. Величина определяется по формуле

                                                                (3.8)

C введением добавочного сопротивления  в цепь якоря жесткость механических характеристик также падает, что с успехом используется при регулировании скорости вращения ДПТ.

По  аналогии с электромеханическими характеристиками различают естественную и искусственные механические характеристики.

Уравнения механической характеристики можно переписать в виде

,                                                                                 (3.9)

где .

3.4. Способы регулирования угловой скорости вращения

Из уравнения механической характеристики (3.7) следует, что принципиально  может регулироваться изменением ,  и .

Следует отметить, что естественный перепад угловой скорости вращения с увеличением нагрузки  не входит в понятие регулирования  .

Диапазон регулирования скорости вращения

Одним из основных параметров, характеризующих способы регулирования угловой скорости вращения, является диапазон регулирования . который в электроприводе определяется как отношение максимальной скорости вращения  к минимальной :

.                                                                                           (3.10)

Как правило, диапазон регулирования представляют в числах в виде соотношения, например, 100:1 и т. п. Естественно диапазон регулирования увязывается с требуемой стабильностью скорости при заданном отклонении момента.

Регулирование скорости вращения изменением питающего напряжения

Как следует из выражения (3.7) при изменении питающего напряжения можно получить семейство параллельных механических характеристик (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Механические характеристики  ДПТ с НВ при различных напряжениях на якоре:  

 

Фактически имеется возможность только уменьшать напряжение питания якоря относительно его номинального значения , т.е. возможно регулировать угловую скорость вращения только вниз от основной (соответствующей естественной характеристике). Это обусловлено тем, что уже на стадии своего проектирования ДПТ рассчитывается на конкретное номинальное напряжение, превышение которого может привести к пробою изоляции.

3.4.1. Реостатное регулирование угловой скорости вращения ДПТ с НВ

Это один из простейших способов регулирования угловой скорости вращения. Схема его реализации представлена на рис. 3.1.

Из уравнения механической характеристики (3.7) следует, что при постоянном моменте сопротивления  на валу можно получить различные установившиеся значения угловой скорости вращения ниже основной.

Жесткость механических характеристик уменьшается с увеличением величины добавочного сопротивления .

Диапазон регулирования скорости практически не превышает 2:1. Способ характеризуется большими тепловыми потерями на добавочном сопротивлении .

3.4.2. Регулирование угловой скорости вращения изменением потока возбуждения ДПТ с НВ

При введении добавочного сопротивления  (рис. 3.1) в цепь обмотки возбуждения можно изменять величину магнитного потока двигателя  в сторону уменьшения от его номинального значения, которое достигается при = 0.

Как следует из уравнения электромеханической характеристики (3.2) для различных значений потока  можно получить семейство электромеханических характеристик, представленное на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Электромеханические характеристики при различных потоках возбуждения: >  >

Угловая скорость вращения идеального холостого хода определяется выражением (3.4).

На рис. 4.4 нижняя характеристика соответствует номинальному потоку возбуждения . Если при этом добавочное сопротивление в якорной цепи  и якорь запитывается номинальным напряжением , то эта характеристика будет естественной. При уменьшении величины потока возбуждения угловые скорости вращения холостого хода возрастают в соответствии с выражением (3.4). Ток короткого замыкания при этом остается неизменным.

Пусковой момент определяется выражением (3.4), поэтому с уменьшением величины потока возбуждения  уменьшается и соответствующий пусковой момент .

На рис. 3.5 представлены механические характеристики для различных значений потоков.

Практически этот способ используется только для регулирования угловой скорости вращения вверх от основной.

Рис. 3.5. Механические характеристики ДПТ при различных потоках возбуждения: >  >

Экономически целесообразно регулировать угловую скорость вращения при токе якоря равном номинальному, но при этом номинальные значения моментов будут различными для различных значений величины потока .

Точки, соответствующие номинальным моментам двигателя будут лежать на гиперболической кривой, обозначенной пунктирной линией на рис. 3.5.

Из этого следует, что целесообразная при таком способе регулирования нагрузка должна характеризоваться нелинейно спадающей механической характеристикой.

Диапазон регулирования для двигателей специального исполнения может достигать 10:1, но обычно составляет 2:1.

3.5. Четырех квадрантная система координат

Двигатель может работать помимо двигательного и в тормозных режимах. В этом случае графики механических характеристик располагаются во всех четырех квадрантах, как это показано на рис. 3.6.

В квадрантах 1 и 3, в которых поток мощности положительный изображаются   механические   характеристики, соответствующие двигательному режиму работы в различных направлениях вращения, а во 2 и 4 квадрантах с отрицательным потоком мощности изображаются тормозные (генераторные) режимы работы.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 3.6. Четырехквадрантная система координат для изображения механических характеристик во всех режимах работы двигателя

3.6. Тормозные режимы работы ДПТ с НВ

Различают следующие тормозные  режимы ДПТ с НВ:

·                    генераторное торможение с отдачей энергии в сеть (рекуперативное);

·                    динамическое торможение;

·                    торможение противовключением.

3.6.1. Генераторное (рекуперативное) торможение

Если сторонним устройством разогнать ДПТ с НВ до скорости выше скорости холостого хода, то он начинает работать генератором, включенным параллельно с сетью, отдавая ей электрическую энергию.

Ток якоря при этом изменяет свой знак, т. к.  и ДПТ переходит в тормозной режим с тормозным моментом =.

В этом случае уравнение механической характеристики приобретает вид

.                                                                                 (3.11)             

Нетрудно видеть, что графически зависимость  в данном случае является продолжением механической характеристики двигательного режима и изображается во 2 или 4 (при противоположном направлении вращения) квадрантах (рис. 3.7).

Данный тормозной режим весьма экономичен, широко применяется в промышленности и на транспорте при некоторых способах регулирования скорости, например при регулировании скорости вращения изменением питающего напряжения  .

Рис. 3.7. Механические характеристики двигательного режима и режима генераторного (рекуперативного) торможения при  <.

 

Ограничения на применимость этого тормозного режима обуславливается тем, что он имеет место только на скоростях выше скорости идеального холостого хода, т.е. только при условии, что .

 

Динамическое торможение

Для осуществления данного режима якорь двигателя отключают  от  сети и замыкают на тормозное сопротивление  так как это представление на рис. 3.8.

Рис.3.8. Схема включения ДПТ с НВ при динамическом торможении.

 

Уравнение механической характеристики для этого режима запишется как

,                                                                                         (3.12)

где  - тормозной момент.

Ток якоря можно определить как

.                                                                                                  (3.13)

т. е. ток (и, следовательно, момент двигателя) изменяет свой знак, чем и обуславливается процесс торможение.

На рис. 3.9 представлены механические характеристики ДПТ с НВ, соответствующие режиму динамического торможения.

 

 

 

Рис. 3.9. Механические характеристики ДПТ с НВ, соответствующие режиму динамического торможения при  <<.

 

Способ динамического торможения весьма экономичен, т. к. двигатель работает генератором на постоянную нагрузку, потребляя из сети энергию только на электромагнитное возбуждение.

При переводе ДПТ из двигательного режима в режим динамического торможения необходимо ограничивать величину максимального тормозного тока в момент переключения.

Торможение противовключением

Этот режим по существу соответствует работе ДПТ генератором последовательно с сетью и имеет место тогда, когда обмотки двигателя включены для вращения в одну сторону, но под действием внешнего момента или сил инерции ротор вращается в противоположную сторону. Такой режим работы двигателя можно получить двумя способами: так называемым «тормозным спуском» и изменением на ходу полярности подводимого к якорю напряжения.

Тормозной спуск

Данный вид торможения имеет место при превышении активным моментом сопротивления величины пускового момента, что приводит к изменению направления вращения якоря двигателя и соответственно знака ЭДС. Из первого уравнения системы (3.1) следует, что в этом случае ток якоря определяется как

,                                                                                            (3.14)

т. е. ток якоря превышает значения токов короткого замыкания (3.4). Поэтому для реализации этого режима необходимо ограничивать ток якоря введением добавочного сопротивления .

Графически механические и электромеханические характеристики в этом случае являются продолжением соответствующих характеристик в 4 квадрант.

Режим тормозного спуска широко применяется в грузоподъемных механизмах для опускания грузов.

Противовключение изменением полярности подводимого напряжения

Если у ДПТ, работающего в двигательном режиме на ходу изменить полярность напряжения на обмотке якоря на противоположную, то знак тока якоря  изменится на противоположный в соответствии с выражением

.                                                                                        (3.15)

Двигатель переходит в тормозной режим, и его механическая характеристика изображается во 2 квадранте. При этом происходит интенсивное торможение и скорость вращения двигателя падает до нуля. Если в этот момент времени обмотку якоря не отключить от сети, то направление вращения изменяйся на противоположное (график механической характеристики размещен в 3 квадранте), т.е. двигатель реверсируется. Это, безусловно, накладывает определенные ограничения на применимость данного способа торможения.

С энергетической точки зрения данный способ не экономичен, т.к. большое количество энергии выделяется на добавочном сопротивлении, которое необходимо включать в якорную цепь для ограничения бросков тормозного тока.

Механические характеристики для этого режима торможения представлены на рис.3.10.

 

Рис. 3.10. Механические характеристики ДПТ с НВ, соответствующие режиму торможения противовключением путем изменения полярности подводимого напряжения при <<.

Двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением

 

Характерной особенностью ДПТ с ПВ является то, что его обмотка возбуждения (ПОВ) с сопротивлением  посредством щеточно-коллекторного узла последовательно соединена с обмоткой якоря с сопротивлением , т.е. в таких двигателях возможно только электромагнитное возбуждение.

Принципиальная электрическая схема включения ДПТ с ПВ представлена на рис.3.11.

 

Рис. 3.11.   Схема электрическая принципиальная включения ДПТ с ПВ.

 

Для осуществления пуска ДПТ с ПВ последовательно с его обмотками включается добавочный реостат .

Уравнения электромеханической характеристики ДПТ с ПВ

Ввиду того, что в ДПТ с ПВ ток обмотки возбуждения равен току в обмотке якоря, в таких двигателях в отличие от ДПТ с НВ проявляются интересные особенности.

Поток возбуждения ДПТ с ПВ  связан с током якоря (он же является и током возбуждения) зависимостью, называемой кривой намагничивания, представленной на рис. 3.12.

Как видно зависимость  для малых токов близка к линейной, а с увеличением тока проявляется нелинейность, связанная с насыщением магнитной системы ДПТ с ПВ. Уравнение электромеханической характеристики ДПТ с ПВ так же и для ДПТ с независимым возбуждением имеет вид:

.                                                                                     (3.16)

Рис. 3.12. Кривая намагничивания ДПТ с ПВ.

 

Из-за отсутствия точного математического описания кривой намагничивания, при упрощенном анализе можно пренебречь насыщением магнитной системы ДПТ с ПВ,  т. е. принять зависимость между потоком и током якоря линейной, как это показано на рис. 3.12 пунктирной линией. В этом случае можно записать:

,                                                                        (3.17)

где   - коэффициент пропорциональности.

Для момента ДПТ с ПВ с учетом (3.17) можно записать:

Д

.                                                               (3.18)

Из выражения (3.18) видно, что в отличие от ДПТ с НВ у ДПТ с ПВ электромагнитный момент зависит от тока якоря не линейно, а квадратично.

Для тока якоря можно в этом случае записать:

.                                                                                            (3.19)

Если подставить выражение (3.19) в общее уравнение электромеханической характеристики (3.16), то можно получить уравнение для механической характеристики ДПТ с ПВ:

,                                                   (3.20)

где , .

Отсюда следует, что при ненасыщенной магнитной системе механическая характеристика ДПТ с ПВ изображается (рис. 3.13) кривой, для которой ось ординат является асимптотой.

 

Рис. 3.13. Механическая характеристика ДПТ с ПВ в предположении ненасыщенности его магнитной цепи.

 

Значительное увеличение скорости вращения двигателя в области малых нагрузок обуславливается соответствующим снижением величины магнитного потока.

Уравнение (3.20) является оценочным, т.к. получено при допущении о ненасыщенности магнитной системы двигателя. На практике по экономическим соображениям электродвигатели рассчитываются с определенным коэффициентом насыщения и рабочие точки лежат в районе колена перегиба кривой намагничивания.

В целом, анализируя уравнение механической характеристики (3.20), можно сделать интегральный вывод о «мягкости» механической характеристики, проявляющейся в резком уменьшении скорости при увеличении момента на валу двигателя.

Если рассматривать механическую характеристику, изображенную на рис. 3.13 в области малых нагрузок на валу, то можно сделать вывод, что понятие скорости идеального холостого хода для ДПТ с ПВ отсутствует, т. е. при полном сбросе момента сопротивления двигатель идет в «разнос». При этом его скорость теоретически стремится к бесконечности.

С увеличением нагрузки скорость вращения падает и равняется нулю при значении момента короткого замыкания (пускового):

.                                                                      (3.21)

Далее скорость вращения асимптотически приближается к значению  в 4 квадранте системы координат.

Как видно из (3.21) у ДПТ с ПВ пусковой момент при отсутствии насыщения пропорционален квадрату тока короткого замыкания- При конкретных расчетах пользоваться оценочным уравнением механической характеристики (3.20) нельзя. В этом случае построение характеристик приходится вести графо-аналитическими способами. Как правило, построение искусственных характеристик производится на основании данных каталогов, где приводятся естественные характеристики:  и .

Реальный ДПТ с ПВ

В реальном ДПТ с ПВ вследствие насыщения магнитной системы но мере увеличения нагрузки на валу (а, следовательно, и тока якоря) в области больших моментов, наблюдается прямая пропорциональность между моментом и током, поэтому механическая характеристика становится там практически линейной. Это относится как к естественной, так и к искусственным механическим характеристикам.

Кроме того, в реальном ДПТ с ПВ даже в режиме идеального холостого хода существует остаточный магнитный поток , вследствие чего скорость идеального холостого хода  будет иметь конечную величину и определяться выражением:

.                                                                                              (3.22)

Но так как величина  незначительна, то   может достигать значительных величин. Поэтому у ДПТ с ПВ, как правило, запрещается сбрасывать нагрузку на валу более чем на 80% от номинальной.

Исключением являются микродвигатели, у которых и при полном сбросе нагрузки остаточный момент трения достаточно велик для того, чтобы ограничить скорость холостого хода. Склонность ДПТ с ПВ идти в «разнос» ведет к тому, что их роторы выполняются механически усиленными.

Сравнение пусковых свойств двигателей с ПВ и НВ

Как следует из теории электрических машин, двигатели рассчитываются на конкретный номинальный ток . При этом ток короткого замыкания не должен превышать значения

,                                                                           (3.23)

где   - коэффициент перегрузки по току, который обычно лежит в диапазоне от 2 до 5.

В случае, если имеются два двигателя постоянного тока: один с независимым возбуждением, а второй с последовательным возбуждением, рассчитанные на одинаковый ток , то  допустимый ток короткого замыкания  у них также будет одинаковым, в то время как пусковой момент у ДПТ с НВ будет пропорционален току якоря в первой степени:

,

а у идеализированного ДПТ с ПВ согласно выражению (3.21) квадрату тока якоря;

.

Из этого следует, что при одинаковой перегрузочной способности пусковой момент ДПТ с ПВ превосходит пусковой момент ДПТ с НВ.

 

Ограничение величины

При прямом пуске двигателя ударные значения тока , поэтому обмотки двигателя могут быстро перегреться и выйти из строя, кроме того большие токи негативно влияют и на надежность щеточно-коллекторного узла.

(Оказанное обуславливает необходимость ограничения  до какой-либо приемлемой величины либо введением в якорную цепь дополнительного сопротивления , либо уменьшением питающего напряжения  .

Величина максимально допустимого тока определяется коэффициентом перегрузки .

Для микродвигателей обычно осуществляется прямой пуск без добавочные сопротивлений, но с ростом габаритов ДПТ необходимо производить реостатный пуск. особенно, если привод с ДПТ с ПВ используется в нагруженных режимах с частыми пусками и торможениями.

Способы регулирования угловой скорости вращения ДПТ с ПВ 

Как следует из уравнения электромеханической характеристики (3.16) угловую скорость вращения можно регулировать, как и у ДПТ с НВ, изменением ,  и .

 

Регулирование скорости вращения изменением питающего напряжения

Как следует из выражения механической характеристики (3.16) при изменении питающего напряжения можно получить семейство механические характеристик, изображенных на рис. 3.14. При этом величина напряжения питания  регулируется, как правило, при помощи тиристорных преобразователей напряжения или систем «Генератор-двигатель».

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 3.14. Семейство механических характеристик ДПТ с ПВ при различных значениях напряжения питания  якорной цепи << .

 

Диапазон регулирования скорости разомкнутых систем не превышает 4:1, но при введении обратных связей он может быть на несколько порядков выше. Регулирование угловой скорости вращения в этом случае осуществляется вниз от основной (основной скоростью называется скорость, соответствующая    естественной    механической характеристике). Достоинством способа является высокий КПД.

Регулирование угловой скорости вращения ДПТ с ПВ введением последовательного добавочного сопротивления в цепь якоря

Как следует из выражения (3.16) последовательное введение добавочного сопротивления изменяет жесткость механических характеристик и также обеспечивает регулирование угловой скорости вращение  идеального холостого хода .

Семейство механических характеристик ДПТ с ПВ для различных значений добавочного сопротивления  (рис. 3.11) представлено на рис. 3.15.

Рис.  3.15 Семейство механических характеристик ДПТ с ПВ при различных значениях последовательного добавочного сопротивления  <<.

 

 

Регулирование  осуществляется  вниз от основной скорости.

Диапазон регулирования при этом обычно не превышает 2,5:1 и зависит от нагрузки. Регулирование  при этом целесообразно проводить при постоянном моменте сопротивления.

Достоинством данного способа регулирования  является его простота, а недостатком большие потери энергии на добавочном сопротивлении.

Этот способ регулирования нашел широкое применение в крановых и тяговых электроприводах.

Регулирование угловой скорости вращения

изменением потока возбуждения

Так как у ДПТ с ПВ обмотка якоря двигателя последовательно связана с обмоткой возбуждения, то для изменения величины потока возбуждения необходимо зашунтировать обмотку возбуждения реостатом  (рис. 3.16), изменения положения которого влияет на ток возбуждения. Ток возбуждения в этом случае определяется как разность между током якоря  и током в шунтирующем сопротивлении . Так в предельных случаях  при    и  при .

 

Рис. 3.16.   Схема электрическая принципиальная регулирования угловой скорости вращения  ДПТ с ПВ изменением потока возбуждения .

 

Регулирование осуществляется в этом случае вверх от основной угловой скорости вращения, вследствие уменьшения величины магнитного потока. Семейство механических характеристик ДПТ с ПВ для различных значений шунтирующего реостата  представлено на рис. 3.17.

 

Рис. 3.17. Механические характеристики ДПВ с ПВ при различных значениях шунтирующего сопротивления

 

С уменьшением величины   возрастает. Данный способ регулирования является достаточно экономичным, т.к. величина сопротивления последовательной обмотки возбуждения мала и, соответственно, величина  также выбирается малой.

Потери энергии в этом случае примерно такие же, как у ДПТ с НВ при регулировании угловой скорости изменением потока возбуждения. Диапазон регулирования при этом, как правило, не превышает 2:1 при постоянной нагрузке.

Способ находит применение в электроприводах требующих ускорения при малых нагрузках, например, в безмаховиковых ножницах блюмингов.

Все перечисленные выше способы регулирования характеризуются отсутствием конечной угловой скорости вращения идеального холостого хода , но необходимо знать, что существуют схемотехнические решения, позволяющие получать конечные значения .

Для этого шунтируются реостатами  обе обмотки двигателя или только обмотка якоря. Эти способы неэкономичны в энергетическом отношении, но позволяют достаточно кратковременно получать характеристики повышенной жесткости с малыми конечными скоростями идеального холостого хода. Диапазон регулирования при этом не превышает 3:1, а регулирование скорости осуществляется вниз от основной. При переходе в генераторный режим в этом случае ДПТ с ПВ не отдает энергию в сеть, а работает генератором замкнутым на сопротивление .

Необходимо отметить, что в автоматизированных электроприводах величина сопротивления регулируется, как правило, импульсным методом периодическим шунтированием полупроводниковым вентилем сопротивлений  или   с определенной скважностью.

Тормозные режимы работы ДПТ с ПВ

Для ДПТ с ПВ возможно торможение противовключением и динамическое торможение. В отличии от двигателя с независимым возбуждением у ДПТ с ПВ отсутствует рекуперативное торможение с отдачей энергии в сеть, т. к. его ЭДС не может быть больше приложенного напряжения.

Торможение ДПТ с ПВ противовключением

Как и у двигателя с независимым возбуждением у ДПТ с ПВ возможны:

• торможение с изменением полярности напряжения на обмотке якоря (при обеспечении неизменности направления тока в обмотке возбуждения);

• тормозной спуск.

 

 Противовключение изменением полярности подводимого к якорю напряжения

Если у ДПТ с ПВ, работающего в двигательном режиме изменить полярность напряжения на обмотке якоря на противоположную при одновременном переключении концов последовательной обмотки возбуждения, то ток якоря изменит свое направление в соответствии с выражением:

 .                                                                           (3.24)

Двигатель переходит в тормозной режим, и его механическая характеристика изображается во 2 квадранте (рис. 3.18).

Рис. 3.18   Механические характеристики в режиме торможения противовключением изменением полярности подводимого к якорю напряжения при различных значениях последовательного добавочного сопротивления  << .

 

При этом происходит интенсивное торможение и угловая скорость вращения двигателя падает до нуля. Если в этот момент времени, соответствующий достижению точки N на механической характеристике не отключить двигатель от сети, то направление вращения изменится на противоположное, т.е. двигатель реверсируется. Это, безусловно, накладывает ограничения на применимость данного способа торможения.

С энергетической точки зрения данный способ не экономичен, т. к. большое количество энергии выделяется на добавочном сопротивлении, которое необходимо включить в якорную цепь для ограничения бросков тормозного тока. Достоинство способа - высокая эффективность торможения.

 

Тормозной пуск

Этот режим торможения имеет место при превышении активным моментом сопротивления величины пускового момента (или момента короткого замыкания ). В этом случае ток якоря двигателя также определяется по формуле (3.24), т. к. при этом направление вращения, а, следовательно, и знак ЭДС изменяются на противоположные.

Из выражения (3.24), следует, что ток якоря в этом случае превышает значение тока короткого замыкания. Поэтому для реализации данного режима необходимо ограничивать тормозной ток введением последовательного добавочного сопротивления.

Соответствующие механические характеристики тормозного спуска изображаются в 4 квадранте как продолжение характеристик, соответствующих двигательному режиму (рис. 3.19).

Рис. 3.19   Механические характеристики в режиме тормозного спуска при различных значениях последовательного добавочного

сопротивления  << .

 

Режим тормозного спуска широко применяется в грузоподъемных механизмах для опускания грузов.

Р

С энергетической точки зрения тормозной спуск является не экономичным, ввиду тепловых потерь на добавочных сопротивлениях.

Режим динамического торможения ДПТ с ПВ

Динамическое торможение ДПТ с ПВ возможно реализовать двумя способами:

• с независимым возбуждением;

• с самовозбуждением.

 

Динамическое торможение ДПТ с независимым возбуждением

Оно осуществляется как и у ДПТ с НВ. Обмотка возбуждения отключается от якорной цепи и подключается через токоограничительный резистор к источнику постоянного тока, а якорная обмотка замыкается на тормозное сопротивление  (рис. 3.20).

Рис. 3.20   Схема электрическая принципиальная  торможения ДПТ с незави­симым возбуждением.

 

Уравнение механической характеристики для этого режима запишется в виде:

.                                                                                        (3.25)

где .

Ток якоря можно определить как:

Т

,                                                                             (3.26)

 

т.е. в отличие от двигательного режима ток якоря, при постоянстве направления потока возбуждения, изменяет свой знак на противоположный, что и обуславливает процесс торможения.

Достоинством данного способа является достаточно высокая экономичность, а к недостаткам следует отнести снижение эффективности торможения с уменьшением скорости вращения, т. к. из выражения (3.25) следует, что тормозной момент Мт прямо пропорционален .

Семейство механических характеристик для данного способа торможения представление на рис. 3.21. Как видно, с увеличением величины тормозного сопротивления   жесткость характеристик падает.

 

Рис. 3.21. Семейство механических характеристик ДПТ в режиме динамического торможения с независимым возбуждением при различных значениях последовательного добавочного сопротивления  << .

Динамическое торможение с самовозбуждением

R этом режиме якорь ДПТ с ПВ и обмотка возбуждения ПОВ отключаются от сети и подключаются к тормозному сопротивлению  согласно схеме, представленной на рис.3.22.

Рис. 3.22.  Схема электрическая  принципиальная включения   ДПТ   С    ПВ   в    режим динамического торможения с самовозбуждением.

 

При этом надо иметь в виду, что если ДПТ с ПВ переводится в режим динамического торможения с самовозбуждением из двигательного режима, то необходимо перекоммутировать последовательную обмотку возбуждения ПОВ таким образом, чтобы направление тока в ней осталось неизменным. Это делается во избежание размагничивания магнитной системы ДПТ с ПВ.

ДПТ с ПВ в этом случае возбуждается для конкретного значения тормозного сопротивления   лишь при определенных значениях скорости вращения. Возбудившись, ДПТ с ПВ развивает тормозной момент.

При этом вначале происходит интенсивное самовозбуждение, которое ведет к скачку тормозного момента.  Такое ударное, а не «вязкое» торможение для ряда механизмов бывает неприемлемым и это ограничивает применимость данного способа торможения.

Достоинством торможения с самовозбуждением является его экономичность. Двигатель в этом случае не потребляет энергию из сети.

Сравнение ДПТ с НВ и с ПВ

Как следует из уравнения для механических характеристик «жесткость» характеристик  ДПТ с НВ выше, чем ДПТ с ПВ, что часто отмечается, как их очевидное достоинство, т.к. у ДПТ с НВ с увеличением нагрузки скорость вращения падает по линейному закону, но не так интенсивно как это происходит у ДПТ с ПВ.

Это, а также то, что в режиме холостого хода ДПТ с ПВ идет в «разнос» и предопределяет большую применяемость в промышленности именно ДПТ с НВ.

Тем не менее, в ряде отраслей особенности ДПТ с ПВ являются предпочтительными. Это относится к различным тяговым электроприводам, при использовании в которых ДПТ с ПВ развиваются существенно большие пусковые моменты, чем при использовании ДПТ с НВ.

В механизмах с пульсирующей нагрузкой, например, компрессорах, также целесообразно использовать ДПТ с ПВ, так как у них мощность потребления энергии приблизительно постоянна, что предпочтительно для сети.


4. Описание лабораторного стенда

Лабораторный стенд состоит из приборного блока и электромеханического агрегата, соединенных кабелями с приборным блоком и располагаемых на столе рядом с приборным блоком. (Стол в комплект поставки не входит).  Предусмотрен вариант поставки лабораторного стенда в  комплекте с  ПЭВМ. Настоящая редакция методических указаний ориентирована на комплект поставки без ПЭВМ.

 

4.1. Приборный блок

Внешний вид приборного блока представлен на рис. 4.1.

Выноска 3 (с границей): 1Выноска 2 (с границей): 2

Рис. 4.1. Внешний вид приборного блока.

 

На левой боковой стенке приборного блока расположены сетевой разъем 1 и  автомат защиты 2. К сетевому разъему 1 подключатся кабель, подводящий к стенду сетевое напряжение 380 В. Автомат защиты 2  служит для подключения стенда к источнику сетевого питания и автоматического выключения при превышении потребляемым из сети током допустимого значения из-за коротких замыканий и других причин.

Лицевая панель стенда конструктивно разделена на две части: левую (рис. 4.2.) и правую (рис. 4.3.).

На  лицевой панели расположены органы управления стендом, индикаторы, измерительные приборы, разъемы для подключения к приборному блоку внешних устройств и изображение электрической схемы установки. 

 

 

 

 

Рис. 4.2. Левая лицевая панель приборного блока.

 

Перевод основных надписей на передней панели приведен в табл. 4.1:

Таблица 4.1

 

Надпись

Русский перевод

ARMATURE CURRENT

Ток якоря

ARMATURE VOLTAGE

Напряжение якоря

CMPT

Компьютер (сокр.)

CMPT – HAND CONTROL

Компьютер – ручное управление

CURRENT SOURCE

Источник тока

DC MOTOR STUDY

Изучение двигателя постоянного тока

Продолжение таблицы 4.1

 

Надпись

Русский перевод

EXCITING CURRENT

Ток возбуждения

OFF

Выключено

ON

Включено

PHOTOELECTRIC  TRANSDUSER

Фотоэлектрический преобразователь

POWER

Энергия, напряжение

POWER SUPPLY

Источник напряжения

SEPARATE

Независимое

SEPARATELY  EXCITED MOTOR

Двигатель с независимым возбуждением

SERIES

Последовательное

SERIES MOTOR

Двигатель с последовательным возбуждением

SPEED, rad/s

Скорость, рад/с

STEP VOLTAGE

Шаговый переключатель напряжения

SUPPLY VOLTAGE

Напряжение питания

TACHOMETER

Тахометр

 

 

Как следует из электрической принципиальной схемы, приведенной на рис. 4.2., последовательно с якорными обмотками исследуемого двигателя Ml и нагрузочного М2 включены добавочные сопротивления R1 и R2. Величина добавочных сопротивлений R1 и R2 может ступенчато изменятся соответствующими переключателями на панели, от нулевой до десятой ступени. R 1 и R2 могут принимать по десять значений от 0 до 4 Ом с шагом 0.4 Ома, т.е., например, для R1 можно записать R1=0,4∙N Ом, где N - номер включенной ступени (0..10), определяемый по самой верхней цифре на ручке переключателя.

Так как в добавочных сопротивлениях R1 и R2 используется нихром, то можно считать, что их величины не зависят от температуры.


 

 

Рис. 4.3. Правая лицевая панель приборного блока.

 

Назначение элементов, расположенных  на передней панели приборного  блока, а также исходное (перед включением стенда) положение органов управления приведено в табл. 4.2


Таблица 4.2

Наименование

элемента

Обозначение на электрической схеме (обозначение на рис. 4.1…4.3)

Исходное положение

Назначение

Разъемы

Разъем сетевой

- (1)

Присоединен

Подключение приборного блока к сети 380 В

Разъем «CMPT»

- (12)

Присоединен (в варианте поставки с компьютером)

Подключение контрольных точек схемы к АЦП для ввода в ПЭВМ

Разъем «PHOTOELECTRIC  TRANSDUSER»

- (13)

Присоединен

Подключение фотоэлектрического преобразователя скорости вращения валов двигателей, установленного на электромеханическом агрегате, к приборному  блоку

Разъем М1

- (27)

Присоединен

Подключение якорной обмотки и обмотки возбуждения ДПТ М1

Разъем М2

- (30)

Присоединен

Подключение якорной обмотки и обмотки возбуждения ДПТ М2

Элементы защиты

Предохранитель плавкий

F1 

 

- (4)

 

 

 

Вставлен

 

 

 

Защита цепей схемы управления стендом от превышения потребляемым  током допустимого значения

Предохранитель плавкий

F2 

- (5)

Вставлен

Защита цепей схемы управления стендом от превышения потребляемым  током допустимого значения

Предохранитель плавкий

F3 

- (6)

Вставлен

Защита цепи обмотки возбуждения ДПТ M2 от превышения током допустимого значения

 

 

Продолжение таблицы 4.2

Наименование

элемента

Обозначение на электрической схеме (обозначение на рис. 4.1…4.3)

Исходное положение

Назначение

Автомат защиты
QF1

QF1 - (2)

Нижнее

Защита стенда от превышения потребляемым  от сети током допустимого значения

Автомат защиты
QF2

QF2 (24)

OFF

Защита от превышения током в обмотках  ДПТ М1 допустимого значения

Автомат защиты
QF3

QF3 (28)

OFF

Защита от превышения током в обмотке якоря  ДПТ М2 допустимого значения

Индикаторы

Лампа индикаторная «POWER»

- (3)

-

Индикация наличия на стенде сетевого напряжения

Индикатор

«SPEED, rad/s»

- (6)

-

Индикация значения скорости вращения валов двигателей электромеханического агрегата

Стрелочные измерительные приборы

Амперметр «ARMATURE CURRENT»

PA1 (14)

-

Измерение тока в цепи якоря ДПТ М1

Амперметр «ARMATURE CURRENT»

PA2 (16)

-

Измерение тока в цепи якоря ДПТ М2

Амперметр «EXITING CURRENT»

PA3 (17)

-

Измерение тока в обмотке возбуждения ДПТ М2

Вольтметр «SUPPLY VOLTAGE»

PV1 (7)

-

Измерение напряжения питания ДПТ

Вольтметр «ARMATURE VOLTAGE»

PV2 (15)

-

Измерение напряжения на обмотке якоря  ДПТ М2/ЭДС обмотки якоря ДПТ М2

 

 

 

Продолжение

таблицы 4.2


Наименование
элемента

Обозначение на электрической схеме (обозначение на рис. 4.1…4.3)

Исходное положение

Назначение

 

Переключатели

 

 

Переключатель S1

«STEP VOLTAGE»

S1 (9)

Положение 1

Изменение напряжения питания обмоток якоря ДПТ М1 и М2  8…10 В - положение 1, 14…17 В -  положение 2, 20…26 В -  положение 3

Переключатель S2

S2 (25)

Нижнее положение

Переключение ДПТ М1  в режим динамического торможения

Переключатель S3

S3 (19)

Положение « 2 »

Отключение (положение 1) и включение (положение 2) добавочного резистора   в цепь обмотки возбуждения ДПТ М1

Переключатель S4

S4 (26)

Положение SERIES

Переключение обмотки возбуждения ДПТ М1: независимое возбуждение (положение SEPARATE) – последовательное возбуждение (положение SERIES)

Переключатель S5

S5 (20)

Безразлично

Изменение направления вращения ДПТ  М1 путем изменения направления тока в цепи обмотки возбуждения: верхнее положение – вращение по часовой стрелке, нижнее положение – вращение против часовой стрелки 

Продолжение таблицы 4.2.


Наименование
элемента

Обозначение на электрической схеме (обозначение на рис. 4.1…4.3)

Исходное положение

Назначение

Переключатель S6

S6 (29)

Нижнее положение

Переключение ДПТ М2  в режим динамического торможения

Переключатель S7

S7 (23)

Безразлично

Изменение направления вращения ДПТ  М2 путем изменения направления тока в цепи обмотки возбуждения: верхнее положение – вращение по часовой стрелке, нижнее положение – вращение против часовой стрелки 

Переключатель  «CMPT – HAND CONTROL»

- (11)

Положение «HAND CONTROL» при работе стенда в режиме ручного управления.

Положение «CMPT» при работе стенда в режиме управления от компьютера.

Переключение режимов работы стенда: управление от компьютера – ручное управление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Продолжение таблицы 4.2.


Наименование
элемента

Обозначение на электрической схеме (обозначение на рис. 4.1…4.3)

Исходное положение

Назначение

Потенциометры

Магазин сопротивлений R1

R1 (18)

Положение «10»

Регулирование сопротивления в цепи обмотки якоря ДПТ М1

Магазин сопротивлений R2

R2 (21)

Положение «10»

Регулирование сопротивления в цепи обмотки якоря ДПТ М2

Потенциометр R3

R3 (22)

До упора по часовой стрелке

Регулирование тока в обмотке возбуждения ДПТ М2

 


 

 

4.2. Электромеханический агрегат

 

Внешний вид электромеханического агрегата приведен на рис. 4.4.

 

Выноска 3 (с границей): Оптический растровый дискВыноска 3 (с границей): ДПТ M1Выноска 3 (с границей): ДПТ M2

 

Рис. 4.4.  Электромеханический агрегат.

 

Электромеханический агрегат состоит из объединенных в одном конструктиве двух идентичных  ДПТ, валы которых жестко соединены. На валах двигателей установлен оптический растровый диск, являющийся первичным преобразователем фотоэлектрического тахометра. ДПТ и свето- и фотодиоды оптического растрового диска подключаются кабелями (каждый своим) к  соответствующим разъемам приборного блока.


 

           5. УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ

           РАБОТЫ

 

            5.1. Указания мер безопасности

 

1.    Не допускается работа обучающихся со стендом при снятых панелях корпуса стенда.

2.    !При подключенном к напряжению сети стенде в целях пожарной безопасности и предотвращения перегрева не допускается помещать на верхнюю крышку приборного блока посторонние предметы (листы бумаги, книги и т. п.), закрывающие вентиляционные отверстия.

3.      Во избежание неприятных ощущений рекомендуется не допускать касания открытыми частями тела корпусов двигателей электромеханического агрегата. (Двигатели МБП-3Ш и МБП-3Ш-Н разработаны для использования в военной технике, изготавливаются в закрытом исполнении, вследствие чего имеет место разогрев  их корпусов при номинальных режимах работы до температуры 60…80 градусов и более).


 

 

5.2. Проверка работоспособности стенда

 

5.2.1. Проверка наличия напряжений питания на стенде

·        установить органы управления стендом, расположенные на левой боковой стенке и лицевых панелях приборного блока, в исходное положение в соответствии с табл. 4.2;

·        включить автомат QF1 (2) (здесь и далее цифра в круглых скобках соответствует позиционному обозначению элементов на рис.4.1…4.3.) на левой боковой стенке, при этом должен загореться индикатор «POWER» (3);

·        изменяя положение переключателя S1 (9) проверить соответствие показаний вольтметра PV1 значениям, указанным в таблице 5.1.1.

Таблица 5.1.1

Положение переключателя S1

Показания вольтметра PV1, В

1

8…12

2

14…18

3

20…26

 

5.2.2. Проверка ДПТ М1

 5.2.2.1. Проверка ДПТ М1 в режиме ПВ

·        проверить, что переключатель S4 (26) установлен в положение SERIES;

·        включить автомат QF2 (24), переведя его в верхнее положение. Перевести переключатель S2 (25) в верхнее положение.  Выводя потенциометр R1 (18) в направлении положения 0 добиться начала вращения вала ДПТ М1, что фиксируется индикатором «SPEED, rad/s»  (10),  отметить направление вращении вала по знаку скорости. При верхнем положении переключателя S5 (20) знак скорости должен быть положительным, при нижнем - отрицательным;

·        проверить регулируемость скорости вращения ДПТ М1, для чего выводить потенциометр R1 (18) в направлении положения 0. При этом скорость вращения должна возрастать;

·        отключить QF2 (24) и выставить R1 (18) в положение 10;

·        проверить возможность реверсирования направления вращения ДПТ М1, для чего изменить положение переключателя S5 (20). Повторить все предыдущие действия данного пункта. Убедиться в изменении направления вращения ДПТ М1.

5.2.2.2. Проверка ДПТ М1 в режиме НВ

·        перевести переключатель S4 (26) в положение SEPARATE;

·        включить автомат QF2 (24), переведя его в верхнее положение. Перевести переключатель S2 (25) в верхнее положение.  Выводя потенциометр R1 (18) в направлении положения 0 добиться начала вращения вала ДПТ М1, что фиксируется индикатором «SPEED, rad/s»  (10), который индицирует скорость  вращения, отметить направление вращении вала по знаку скорости. При верхнем положении переключателя S5 (20) знак скорости должен быть положительным, при нижнем - отрицательным;

·        проверить регулируемость скорости вращения ДПТ М1, для чего выводить потенциометр R1 (18) в направлении положения 0. При этом скорость вращения должна возрастать;

·        проверить возможность ступенчатого увеличения тока возбуждения ДПТ М1 введением добавочного сопротивления , для чего при вращающемся  ДПТ М1 перевести переключатель S3 (19) в положение 1. Скорость вращения ДПТ М1 должна снизиться примерно на 30 %;

·        отключить QF2 (24), переключатели S2…S4 перевести в исходное (нижнее) положение, потенциометр R1 (18) перевести в положение 10;

·        проверить возможность реверсирования направления вращения ДПТ М1, для чего изменить положение переключателя S5 (20). Повторить все предыдущие действия данного пункта. Убедиться в изменении направления вращения ДПТ М1.

 

5.2.3. Проверка ДПТ М2

·        включить автомат QF3 (28), переведя его в верхнее положение. Перевести переключатель S6 (29) в верхнее положение.  Выводя потенциометр R2 (21) в направлении положения 0 добиться начала вращения вала ДПТ М2, что фиксируется индикатором «SPEED, rad/s»  (10),  отметить направление вращении вала по знаку скорости. При верхнем положении переключателя S6 (29) знак скорости должен быть положительным, при нижнем - отрицательным;

·        проверить регулируемость скорости вращения ДПТ М2, для чего выводить потенциометр R2 (21) в направлении положения 0. При этом скорость вращения должна возрастать;

·        отключить QF3 (28), переключатель S6 (29) перевести в исходное (нижнее) положение, потенциометр R2 (21) перевести в положение 10;

·        проверить возможность реверсирования направления вращения ДПТ М2, для чего изменить положение переключателя S6 (29). Повторить все предыдущие действия данного пункта. Убедиться в изменении направления вращения ДПТ М2;

·        привести органы управления стендом в исходное положение в соответствии с табл. 4.2.

5.3. Экспериментальное определение зависимости коэффициента пропорциональности ДПТ  от тока возбуждения

В данном лабораторном стенде определение момента на валу для определения механических характеристик ДПТ производится путем измерения тока  якоря ДПТ и последующего расчета момента по третьей формуле в системе уравнений (3.1), причем, как показано выше,  .

При изменении тока возбуждения  исследуемых  двигателей изменяется (причем нелинейно) поток возбуждения , а, следовательно, и коэффициент пропорциональности .

Таким образом, необходимо построить зависимость .

Для этого необходимо:

·        установить переключатель S1  в положение «3»;

·        перевести в верхнее положение переключатели  S2, S4, S5, S7, переключатель S3 оставить в нижнем положении (положение «2»), автомат защиты QF3 не включать;

·        по схеме электрической принципиальной убедиться, что при данном положении переключателей ДПТ М2 представляет собой работающий на холостом ходу генератор постоянного тока с независимым возбуждением, э.д.с. которого измеряется вольтметром PV2;

·        установить ток возбуждения  =1,8 А;

·        произвести реостатный пуск ДПТ М1, включив автомат защиты QF2 и постепенно выведя потенциометр R1 из положения «10» в положение «0»;

·        зафиксировать показания вольтметра PV2 и индикатора «SPEED, rad/s», занести измеренные значения  и  в таблицу 5.3.1;

·        последовательно снижая  ток возбуждения   до значения =0,4А фиксировать соответствующие показания вольтметра PV2 и индикатора «SPEED, rad/s»;

·        привести органы управления стендом в исходное положение в соответствии с табл. 4.2;

·        рассчитать значения коэффициента для каждого значения  по формуле и занести рассчитанные значения в таблицу 5.3.1;

·        построить график зависимости ;

·        повторить предыдущие действия по данному пункту для противоположного направления тока  , установив переключатель S7 в нижнее положение;

·        отключить QF2, перевести все переключатели в нижнее положение, потенциометр R1 установить в положение «10».

Таблица 5.3.1

А

 

1,8

1,6

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

рад/с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В ∙с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.4. Экспериментальное определение зависимости момента холостого хода ДПТ  от его скорости вращения

В данном стенде в качестве регулирования нагрузочного момента на валу исследуемого ДПТ используется второй ДПТ.

Крутящий момент на валу исследуемого ДПТ () определяется из выражения:

,                                       (5.1)

где:  – момент второго ДПТ;  – момент холостого хода электромеханического агрегата; знак «+» соответствует двигательному режиму работы исследуемого ДПТ, знак «−» - тормозным режимам.

 

Момент холостого хода ДПТ  меняется с изменением скорости вращения (вентиляторный эффект) и с изменением потока возбуждения (магнитные потери).

Таким образом, необходимо построить зависимость  при различных значениях тока возбуждения.

Для этого необходимо:

·        установить переключатель S1  в положение «1;

·        перевести в верхнее положение переключатели  S2, S5, S6, S7, переключатель S3 и  S4 оставить в нижнем положении,  автомат защиты QF2 не включать;

·        установить ток возбуждения  =1,8 А;

·        по схеме электрической принципиальной убедиться, что при данном положении переключателей ДПТ М2 представляет собой работающий на холостом ходу двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, ток якоря которого измеряется амперметром PА2;

·        произвести реостатный пуск ДПТ М2, включив автомат защиты QF3 и постепенно выводя потенциометр R2 из положения «10» в направлении положения «0» до начала трогания  ДПТ;

·        зафиксировать положения переключателя S1 и  потенциометра R2, а также показания амперметра PА2 и индикатора «SPEED, rad/s», занести измеренные значения  и  в таблицу 5.4.1;

·        варьируя сопротивлением потенциометра R2 и напряжением источника питания (путем перевода перключателя S1 в положения «2» и «3» увеличивать скорость вращения ДПТ и фиксировать соответствующие показания амперметра PА2 и индикатора «SPEED, rad/s»;

·        привести органы управления стендом в исходное положение в соответствии с табл. 4.2;

·        воспользовавшись рассчитанным при выполнении п. 4.3 значением коэффициента  для каждого значения =1,8А рассчитать соответствующие значения момента холостого хода и занести их в таблицу 5.4.1;

·        построить график зависимости ;

·        повторить предыдущие действия по данному пункту для противоположного направления тока , установив переключатель S7 в нижнее положение;

·        повторить предыдущие действия по данному пункту для значения тока  =0,6 А;

·        отключить QF3, перевести все переключатели в нижнее положение, потенциометр R2 установить в положение «10».

 

 

Таблица 5.4.1

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В ∙с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Положение S1

-

 

 

 

 

 

 

 

 

В

 

 

 

 

 

 

 

 

Положение R2

-

 

 

 

 

 

 

 

 

Ом

 

 

 

 

 

 

 

 

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рад/с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

5.5. Исследование ДПТ с НВ

5.5.1. Исследование электромеханических и механических характеристик ДПТ с НВ  в двигательном  режиме работы, в режимах рекуперативного торможения и тормозного спуска при различных сопротивлениях цепи якоря

 

Для снятия характеристик:

·        установить переключатель S1  в положение «3»;

·        перевести в верхнее положение переключатели  S2, S4, S5, S6, S7, переключатель S3 оставить в нижнем положении (положение «2»);

·        по схеме электрической принципиальной убедиться, что при данном положении переключателей оба ДПТ будут включены согласно;

·        установить потенциометры R1 и  R2 в положение «10»;

·        установить ток возбуждения  =1,8 А;

·        произвести реостатный пуск ДПТ М2, включив автомат защиты QF3;

·        произвести реостатный пуск ДПТ М1, включив автомат защиты QF2;

·        зафиксировать показания амперметра PА2 и индикатора «SPEED, rad/s», занести измеренные значения  и  в таблицу, составленную по форме таблицы 5.5.1;

! 


При выполнении действий по следующему пункту следует внимательно следить за показаниями амперметров PA1 и PA2, не допуская превышения значениями токов  и  допустимых значений в 15А.

·        постепенно выводить потенциометр R1 из положения «10» в направлении положения «0» и для каждого положения фиксировать показания амперметра PА2 и индикатора «SPEED, rad/s», занося измеренные значения  и  в таблицу, составленную по форме таблицы 5.5.1, добиться изменения направления тока  (режим рекуперативного торможения);

Примечание. При проведении измерений в режиме рекуперативного торможения для расширения диапазона изменения скорости ДПТ рекомендуется установить переключатель S3 в верхнее положение (уменьшив поток возбуждения ДПТ М1 путем шунтирования резистора Rш).

Таблица 5.5.1

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В ∙с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Положение S1

-

 

 

 

 

 

 

 

 

В

 

 

 

 

 

 

 

 

Положение R2

-

 

 

 

 

 

 

 

 

Ом

 

 

 

 

 

 

 

 

Положение R1

-

 

 

 

 

 

 

 

 

Положение S4

-

 

 

 

 

 

 

 

 

Положение S5

-

 

 

 

 

 

 

 

 

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рад/с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

·        вывести потенциометр R1 в положение «10»;

·        установить переключатели S4 и S5 в нижнее положение;

·        постепенно выводить потенциометр R1 из положения «10» в направлении положения «0» и для каждого положения фиксировать показания амперметра PА2 и индикатора «SPEED, rad/s», занося измеренные значения  и  в таблицу, составленную по форме таблицы 5.5.1, добиться из изменения направления скорости вращения (режим тормозного спуска);

·        отключить двигатели, отключив автоматы защиты QF2 и QF3;

·        повторить действия данного пункта для положений  потенциометра R2 «7» и «5»;

·        привести органы управления стендом в исходное положение в соответствии с табл. 4.2;

·        заполнить таблицы, составленные по форме таблицы 5.5.1, рассчитав момент ДПТ с НВ по формуле , значение  для =1,8А  определить из табл. 5.3.1;

·        построить графики зависимостей , , расположив изображения характеристик, полученных для различных значений сопротивлений цепи якоря R2, на одном графике;

·        сделать вывод о влиянии сопротивления цепи якоря ДПТ на расположение электромеханических и механических характеристик ДПТ с НВ.

5.5.2. Исследование электромеханических и механических характеристик ДПТ с НВ  в двигательном  режиме работы, в режимах рекуперативного торможения и тормозного спуска при различных значениях питающего напряжения

 

Для снятия характеристик следует:

·        выполнить действия, аналогичные указанным в п. 5.5.1., установив ток возбуждения =1,8 А, положение потенциометра R2  «10», а положение переключателя S1 - «2»;

·        повторить указанные действия при положении переключателя S1 - «1»;

·        привести органы управления стендом в исходное положение в соответствии с табл. 4.2;

·        заполнить в таблицу, составленную по форме таблицы 5.5.1, рассчитав момент ДПТ по формуле , значение  для =1,8 А  определить из табл. 5.3.1;

Примечание. Для построения характеристик, соответствующих положению  «3» переключателя S1, использовать данные, полученные при выполнении п. 5.5.1.

·        построить графики зависимостей , , расположив изображения характеристик, полученных для различных значений питающего напряжения (положения переключателя S1 «1», «2», «3»), на одном графике;

·        сделать вывод о влиянии напряжения питания на расположение электромеханических и механических характеристик ДПТ с НВ.

      5.5.3. Исследование электромеханических и механических характеристик ДПТ с НВ  в двигательном  режиме работы, в режимах рекуперативного торможения и тормозного спуска при различных значениях потока возбуждения

 

Для снятия характеристик следует:

·        выполнить действия, аналогичные указанным в п. 5.5.1., установив положение потенциометра R2  «10»,  положение переключателя S1 - «3» ток возбуждения =1,2 А;

·        повторить указанные действия при токе возбуждения =0,4 А;

·        заполнить в таблицу, составленную по форме таблицы 5.5.1, рассчитав момент ДПТ по формуле , значения  для соответствующих токов возбуждения    определить из табл. 5.3.1;

Примечание. Для построения характеристик, соответствующих =1,8 А, использовать данные, полученные при выполнении п. 5.5.1.

·        привести органы управления стендом в исходное положение в соответствии с табл. 4.2;

·        построить графики зависимостей , , расположив изображения характеристик, полученных для различных значений токов возбуждения, на одном графике;

·        сделать вывод о влиянии потока возбуждения на расположение электромеханических и механических характеристик ДПТ с НВ.

 

      5.5.4. Исследование электромеханических и механических характеристик ДПТ с НВ  в режиме динамического торможения

 

Для снятия характеристик:

·        установить переключатель S1  в положение «2»;

·        перевести в верхнее положение переключатели  S2, S3, S5, S6, S7, переключатель  S6 оставить в нижнем положении, автомат защиты QF3 включить;

·        по схеме электрической принципиальной убедиться, что при данном положении переключателей ДПТ M2 включен в режим динамического торможения;

·        установить потенциометры R1 и  R2 в положение «10»;

·        установить ток возбуждения  =1,8 А;

·        произвести реостатный пуск ДПТ М1, включив автомат защиты QF2;

·        зафиксировать показания амперметра PА2 и индикатора «SPEED, rad/s», занести измеренные значения  и  в таблицу, составленную по форме таблицы 5.5.4;

! 


При выполнении действий по следующему пункту следует внимательно следить за показаниями амперметров PA1 и PA2, не допуская превышения значениями токов  и  допустимых значений в 15А.

 

·        постепенно выводить потенциометр R1 из положения «10» в направлении положения «0» и для 5 - 6 положений фиксировать показания амперметра PА2 и индикатора «SPEED, rad/s», занося измеренные значения  и  в таблицу, составленную по форме таблицы 5.5.4;

·        вывести потенциометр R1 в положение «10»;

·        отключить двигатель М1, отключив автомат защиты QF2;

·        повторить действия данного пункта для положений  потенциометра R2 «7» и «5»;

 

Таблица 5.5.4

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В ∙с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Положение S1

-

 

 

 

 

 

 

 

 

В

 

 

 

 

 

 

 

 

Положение R2

-

 

 

 

 

 

 

 

 

Ом

 

 

 

 

 

 

 

 

Положение R1

-

 

 

 

 

 

 

 

 

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рад/с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

·        привести органы управления стендом в исходное положение в соответствии с табл. 4.2;

·        заполнить таблицы, составленные по форме таблицы 5.5.1, рассчитав момент ДПТ с НВ по формуле , значение  для =1,8А  определить из табл. 5.3.1;

·        построить графики зависимостей , , расположив изображения характеристик, полученных для различных значений сопротивлений цепи якоря R2, на одном графике;

·        сделать вывод о влиянии сопротивления цепи якоря ДПТ на расположение электромеханических и механических характеристик ДПТ с НВ.


 

5.6. Исследование ДПТ с ПВ

5.6.1. Исследование электромеханических и механических характеристик ДПТ с ПВ  в двигательном  режиме работы и  в режиме тормозного спуска при различных сопротивлениях цепи якоря

 

Для снятия характеристик:

·        установить переключатель S1  в положение «3»;

·        перевести в верхнее положение переключатели  S2, S5 и S6, переключатели S3,  S4 и  S7 оставить в нижнем положении;

·        по схеме электрической принципиальной убедиться, что при данном положении переключателей оба ДПТ будут включены встречно;

·        установить потенциометр R1 в положение «6», а  потенциометр  R2 в положение «10»;

·        установить ток возбуждения =0,4 А;

·        произвести реостатный пуск ДПТ М1, включив автомат защиты QF2;

·        зафиксировать показания амперметров PA1, PА2 и индикатора «SPEED, rad/s», занести измеренные значения ,  и  в таблицу, составленную по форме таблицы 5.6.1;

Таблица 5.6.1

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В ∙с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Положение S1

-

 

 

 

 

 

 

 

 

В

 

 

 

 

 

 

 

 

Положение R1

-

 

 

 

 

 

 

 

 

Ом

 

 

 

 

 

 

 

 

Положение R2

-

 

 

 

 

 

 

 

 

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рад/с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

·        произвести реостатный пуск ДПТ М2, включив автомат защиты QF3;

! 


При выполнении действий по следующему пункту следует внимательно следить за показаниями амперметров PA1 и PA2, не допуская превышения значениями токов  и  допустимых значений в 15А.

 

·        постепенно выводить потенциометр R2 из положения «10» в направлении положения «0» и для каждого положения фиксировать показания амперметров PA1 и  PА2, а также индикатора «SPEED, rad/s», занося измеренные значения  и  в таблицу, составленную по форме таблицы 5.5.1, добиться изменения направления скорости вращения (режим тормозного спуска);

Примечание. При необходимости снятия характеристик в большем диапазоне при скорости вращения ДПТ близкой к нулю можно установить  =1,8 А;

·        отключить двигатели, отключив автоматы защиты QF2 и QF3;

·        повторить действия данного пункта для положений  потенциометра R1 «4» и «2»;

·        привести органы управления стендом в исходное положение в соответствии с табл. 4.2;

·        заполнить таблицы, составленные по форме таблицы 5.6.1, рассчитав момент ДПТ с НВ по формуле (5.1), где  , значения  для   =0,4 А  и =1,8 А  определить из табл. 5.3.1;

·        построить графики зависимостей , , расположив изображения характеристик, полученных для различных значений сопротивлений цепи якоря R1, на одном графике;

·        сделать вывод о влиянии сопротивления цепи якоря на расположение электромеханических и механических характеристик ДПТ с ПВ.

 

 

 

5.6.2. Исследование электромеханических и механических характеристик ДПТ с ПВ  в двигательном  режиме работы и  в режиме тормозного спуска при различных значениях питающего напряжения

 

Для снятия характеристик следует:

·        выполнить действия, аналогичные указанным в п. 5.6.1., установив ток возбуждения =0,4 А, положение потенциометра R1  «6», а положение переключателя S1 - «2»;

·        повторить указанные действия при положении переключателя S1 - «1»;

·        привести органы управления стендом в исходное положение в соответствии с табл. 4.2;

·        заполнить таблицы, составленные по форме таблицы 5.6.1, рассчитав момент ДПТ с НВ по формуле (5.1), где  , значения  для   =0,4 А  и =1,8 А  определить из табл. 5.3.1;

Примечание. Для построения характеристик, соответствующих положению  «3» переключателя S1, использовать данные, полученные при выполнении п. 5.6.1.

·        построить графики зависимостей , , расположив изображения характеристик, полученных для различных значений питающего напряжения (положения переключателя S1 «1», «2», «3»), на одном графике;

·        сделать вывод о влиянии напряжения питания на расположение электромеханических и механических характеристик ДПТ с ПВ.

      5.6.3. Исследование электромеханических и механических характеристик ДПТ с ПВ  в режиме динамического торможения с самовозбуждением

 

Для снятия характеристик:

·        установить переключатель S1  в положение «2»;

·        перевести в верхнее положение переключатели  S5, S6, S7, переключатели S2, S3 и S4 оставить в нижнем положении, автомат защиты QF2 включить;

·        по схеме электрической принципиальной убедиться, что при данном положении переключателей ДПТ M1 включен в режим динамического торможения с самовозбуждением (см. схему на рис. 4.22);

·        установить потенциометры R1 в положение «10», а  R2 - в положение «10»;

·        установить ток возбуждения  =1,8 А;

·        произвести реостатный пуск ДПТ М2, включив автомат защиты QF3;

·        зафиксировать показания амперметров PA1, PА2 и индикатора «SPEED, rad/s», занести измеренные значения ,  и  в таблицу, составленную по форме таблицы 5.6.3;

! 


При выполнении действий по следующему пункту следует внимательно следить за показаниями амперметров PA1 и PA2, не допуская превышения значениями токов  и  допустимых значений в 15А.

 

Таблица 5.6.3

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В ∙с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Положение S1

-

 

 

 

 

 

 

 

 

В

 

 

 

 

 

 

 

 

Положение R1

-

 

 

 

 

 

 

 

 

Ом

 

 

 

 

 

 

 

 

Положение R2

-

 

 

 

 

 

 

 

 

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рад/с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

·        постепенно выводить потенциометр R2 из положения «10» в направлении положения «0» и для 5 - 6 положений его фиксировать показания амперметров PA1, PА2 и индикатора «SPEED, rad/s», занести измеренные значения ,  и  в таблицу, составленную по форме таблицы 5.6.3;

·        вывести потенциометр R2 в положение «10»;

·        отключить двигатель М2, отключив автомат защиты QF3;

·        повторить действия данного пункта для положений  потенциометра R1 «7» и «5»;

·        привести органы управления стендом в исходное положение в соответствии с табл. 4.2;

·        заполнить таблицы, составленные по форме таблицы 5.6.3, рассчитав момент ДПТ с НВ по формуле (5.1), где  , значения  для   =0,4 А  и =1,8 А  определить из табл. 5.3.1;

·        построить графики зависимостей , , расположив изображения характеристик, полученных для различных значений сопротивлений цепи якоря R1, на одном графике;

·        сделать вывод о влиянии сопротивления цепи якоря ДПТ на расположение электромеханических и механических характеристик ДПТ.


 

           6. УКАЗАНИЯ ПО оформлению отчета

 

Отчет должен содержать:

1.      Наименование работы.

2.      Цель работы.

3.      Изображение электрической принципиальной схемы стенда.

4.      Таблицы с результатами измерений.

5.      Графики зависимостей:

·        ;

·         при различных значениях ;

·        построенные на одном четырехквадрантном графике экспериментально и теоретически полученные механические (электромеханические) характеристики ДПТ с НВ  в  двигательном режиме, а также режимах рекуперативного торможения и тормозного спуска при различных значениях сопротивления цепи якоря исследуемого двигателя,

·        построенные на одном четырехквадрантном графике экспериментально и теоретически полученные механические (электромеханические) характеристики ДПТ с НВ  в  двигательном режиме, а также режимах рекуперативного торможения и тормозного спуска при различных значениях напряжения питающей сети;

·        построенные на одном четырехквадрантном графике экспериментально и теоретически полученные механические характеристики ДПТ с НВ  в  двигательном режиме, а также режимах рекуперативного торможения и тормозного спуска при различных значениях тока возбуждения исследуемого двигателя;

·        построенные на одном четырехквадрантном графике экспериментально полученные электромеханические характеристики ДПТ с НВ  в  двигательном режиме, а также режимах рекуперативного торможения и тормозного спуска при различных значениях тока возбуждения исследуемого двигателя;

·        построенные на одном четырехквадрантном графике экспериментально и теоретически полученные механические (электромеханические) характеристики ДПТ с НВ в режиме динамического торможения при различных значениях сопротивления цепи якоря исследуемого двигателя;

·        построенные на одном четырехквадрантном графике экспериментально полученные механические (электромеханические) характеристики ДПТ с ПВ  в  двигательном режиме и в режиме тормозного спуска при различных значениях сопротивления цепи якоря исследуемого двигателя,

·        построенные на одном четырехквадрантном графике экспериментально полученные механические (электромеханические) характеристики ДПТ с ПВ  в  двигательном режиме и в режиме тормозного спуска при различных значениях напряжения питающей сети;

·        построенные на одном четырехквадрантном графике экспериментально полученные механические характеристики ДПТ с ПВ в режиме динамического торможения с самовозбуждением при различных значениях сопротивления цепи якоря исследуемого двигателя;

·        построенные на одном четырехквадрантном графике экспериментально полученные электромеханические характеристики ДПТ с ПВ в режиме динамического торможения с самовозбуждением при различных значениях сопротивления цепи якоря исследуемого двигателя;

6.      Ответы на контрольные вопросы.


           7. контрольные вопросы

1.      Что такое естественная и искусственная механические характеристики?

2.      Чем отличается естественная механическая характеристика от искуственных?

3.      Назовите режимы работы двигателя постоянного тока.

4.      Назовите способы регулирования угловой скорости вращения двигателя постоянного тока и перечислите их основные достоинства и недостатки для ДПТ с НВ и для ДПТ с ПВ.

5.      Объясните, почему при малых моментах сопротивления скорость ДПТ с НВ с увеличением потока возбуждения падает, а при больших  моментах сопротивления – возрастает.

6.      Перечислите основные достоинства и недостатки известных Вам способов торможения ДПТ с НВ и для ДПТ с ПВ.

7.      Проведите сравнение характеристик двигателей с последовательным и независимым возбуждением и укажите область применения ДПТ с НВ и ДПТ с ПВ.


 

           8. Список использованной литературы

Чиликин М.Г.. Сандлер А.С. Общий курс электропривода. .: Энергоиздат, 1981,- 576 с.