Двигатель параллельного возбуждения

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

Исследование двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

Цель:

Изучить устройство двигателя постоянного тока параллельного возбуждения и изучить теоретические сведения о двигателях постоянного тока параллельного возбуждения и изучить теоретические сведения о свойствах двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

Задание:

1. Изучить устройство двигателя постоянного тока параллельного возбуждения и принцип его работы.

2. Изучить регулировочные характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения.

3. Изучить рабочие характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения.

Оборудование и материалы:

1. Схема работы двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

2. Паспортные данные двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

Методические указания:

Пуск двигателя

Ток якоря двигателя определяется формулой!!!. Если при­нять U и ∑r неизменными, то ток I_а зависит от противо-ЭДС Е_а. Наибольшего значения ток I_а достигает при пуске двигателя в ход. В начальный момент пуска якорь двигателя неподвижен (п = 0) и в его обмотке не индуцируется ЭДС (Е_а = 0). Поэтому при непо­средственном подключении двигателя к сети в обмотке его якоря возникает пусковой ток (1):

Обычно сопротивление ∑r невелико, поэтому значение пус­кового тока достигает недопустимо больших значений, в 10-20 раз превышающих номинальный ток двигателя.

Такой большой пусковой ток весьма опасен для двигателя. Во-первых, он может вызвать в машине круговой огонь, а во-вторых, при таком токе в двигателе развивается чрезмерно большой пус­ковой момент, который оказывает ударное действие на вращаю­щиеся части двигателя и может механически их разрушить. И на­конец, этот ток вызывает резкое падение напряжения в сети, что неблагоприятно отражается на работе других потребителей, вклю­ченных в эту сеть. Поэтому пуск двигателя непосредственным подключением в сеть (безреостатный пуск) обычно применяют для двигателей мощностью не более 0,7-1,0 кВт. В этих двигате­лях благодаря повышенному сопротивлению обмотки якоря и не­большим вращающимся массам значение пускового тока лишь в 3-5 раз превышает номинальный, что не представляет опасности для двигателя. Что же касается двигателей большей мощности, то при их пуске для ограничения пускового тока используют пуско­вые реостаты (ПР), включаемые последовательно в цепь якоря (реостатный пуск).

Перед пуском двигателя необходимо рычаг Р реостата поста­вить на холостой контакт О (рис. 1). Затем включают рубиль­ник, переводят рычаг на первый промежуточный контакт 1 и цепь якоря двигателя оказывается подключенной к сети через наиболь­шее сопротивление реостата r_{п р} = r₁ + r₂ + r ₃ + r ₄.

Рисунок 1. Схема включения пускового реостата

Одновременно через рычаг Р и шину III к сети подключается обмотка возбуждения, ток в которой в течение всего периода пус­ка не зависит от положения рычага Р, так как сопротивление ши­ны по сравнению с сопротивлением обмотки возбуждения пренеб­режимо мало.

Пусковой ток якоря при полном сопротивлении пускового реостата (2):

С появлением тока в цепи якоря I _{n max} возникает пусковой мо­мент М_{п тах} , под действием которого начинается вращение якоря. По мере нарастания частоты вращения увеличивается противо-ЭДС Е_а = с_еФп, что ведет к уменьшению пускового тока и пускового момента.

По мере разгона якоря двигателя рычаг пускового реостата переключают в положения 2, 3 и т. д. В положении 5 рычага рео­стата пуск двигателя заканчивается (r_пр = 0). Сопротивление пус­кового реостата выбирают обычно таким, чтобы наибольший пус­ковой ток превышал номинальный не более чем в 2-3 раза.

Так как вращающий момент двигателя М прямо пропорциона­лен потоку Ф, то для облегчения пуска двигателя па­раллельного и смешанного возбуждения сопротивление реостата в цепи возбуждения r _pr следует полностью вывести (r _рг = 0). Поток возбуждения Ф в этом случае получает наибольшее значение и двигатель развивает необходимый вращающий момент при мень­шем токе якоря.

Для пуска двигателей большей мощности применять пусковые реостаты нецелесообразно, так как это вызвало бы значительные потери энергии. Кроме того, пусковые реостаты были бы громозд­кими. Поэтому в двигателях большой мощности применяют безреостатный пуск двигателя путем понижения напряжения. Приме­рами этого являются пуск тяговых двигателей электровоза переключением их с последовательного соединения при пуске на параллельное при нормальной работе или пуск двига­теля в схеме «генератор-двигатель».

Двигатель параллельного возбуждения

Схема включения в сеть двигателя параллельного возбужде­ния показана на рисунке 2(а). Характерной особенностью этого двигателя является то, что ток в обмотке возбуждения (ОВ) не за­висит от тока нагрузки (тока якоря). Реостат в цепи возбуждения r _рг служит для регулирования тока в обмотке возбуждения и маг­нитного потока главных полюсов.

Эксплуатационные свойства двигателя определяются его ра­бочими характеристиками, под которыми понимают зависимость частоты вращения п, тока I, полезного момента М ₂, вращающего момента М от мощности на валу двигателя Р₂ при U = const и I _в = const (рис. 2, б).

Для анализа зависимости п = f(P₂), которую обычно называ­ют скоростной характеристикой, обратимся к формуле, из которой видно, что при неизменном напряжении U на частоту вращения влияют два фактора: падение напряжения в цепи якоря I_a ∑ r поток возбуждения Ф. При увеличении нагрузки умень­шается числитель (U - I_a ∑ r), при этом вследствие реакции якоря уменьшается и знаменатель Ф. Обычно ослабление потока, вы­званное реакцией якоря, невелико и первый фактор влияет на час­тоту вращения сильнее, чем второй. В итоге частота вращения двигателя с ростом нагрузки Р₂ уменьшается, а график п - f(P₂) приобретает падающий вид с небольшой выпуклостью, обращен­ной к оси абсцисс. Если же реакция якоря в двигателе сопровож­дается более значительным ослаблением потока Ф, то частота вращения с увеличением нагрузки будет возрастать, как это пока­зано штриховой кривой на рисунке 2(б). Однако такая зависимость п = f(P₂) является нежелательной, так как она, как правило, не удовлетворяет условию устойчивой работы двигателя: с ростом нагрузки на двигатель возрастает частота вращения, что ведет к дополнительному росту нагрузки и т. д., т. е. частота вращения п двигателя неограниченно увеличивается и двигатель идет «в раз­нос». Чтобы обеспечить характеристике частоты вращения форму падающей кривой, в некоторых двигателях параллельного возбу­ждения применяют легкую (с небольшим числом витков) последо­вательную обмотку возбуждения, которую называют стаби­лизирующей обмоткой.

Рисунок 2. Схема двигателя параллельного возбуждения – (а);

рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения – (б)

При включении этой обмотки согласованно с параллельной обмоткой возбуждения ее МДС компенсирует размагничивающее действие реакции якоря так, что поток Ф во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменным.

Изменение частоты вращения двигателя при переходе от но­минальной нагрузки к х.х., выраженное в процентах, называют номинальным изменением частоты вращения (3):

где п₀ – частота вращения двигателя в режиме х.х.

Обычно для двигателей параллельного возбуждения Δ п _ном = 2÷8% поэтому характеристику частоты вращения двигателя па­раллельного возбуждения называют жесткой.

Зависимость полезного момента М₂ от нагрузки установлена формулой М₂ = 9,55Р₂/п. При п = const график М₂ = f (Р ₂ ) имел бы вид прямой. Однако с увеличением нагрузки частота вращения двига­теля снижается, и поэтому зависимость М₂ = f (Р ₂ ) криволинейна.

При п = const вращающий момент двигателя М = М₀ + М₂. Так как рабочие характеристики двигателя строят при условии I _в = = const, что обеспечивает постоянство магнитных потерь в двига­теле, то момент х.х. М₀ = const. Поэтому график зависимости М₂ = f (Р ₂ ) проходит параллельно кривой М₂ = f (Р ₂ ). Если принять по­ток Ф = const, то график М₂ = f (Р ₂ ) является в то же время выраже­нием зависимости I = f (Р ₂ ), так как М = с_мФI_а.

Для получения аналитического выражения механической ха­рактеристики п =j{M) преобразуем выражение (4):

подставив в него значение тока якоря (5):

получим (6):

где п₀ — частота вращения в режиме х.х.; Δп — изменение часто­ты вращения, вызванное изменением нагрузки на валу двигателя.

Рисунок 3. Механические характеристики двигателя параллельно­го возбуждения:

а- при введении в цепь якоря добавочного сопротивления; б - при изменении основного магнитного потока; в - при изменении напряже­ния в цепи якоря

Если пренебречь реакцией якоря, то (так как I _в = const) можно принять Ф = const. Тогда механическая характеристика двигателя па­раллельного возбуждения представляет собой прямую линию, не­сколько наклоненную к оси абсцисс (рис. 3, а). Угол наклона меха­нической характеристики тем больше, чем больше значение сопротивления, включенного в цепь якоря. Механическую характери­стику двигателя при отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря называют естественной (прямая 1). Механические харак­теристики двигателя, полученные при введении дополнительного со­противления в цепь якоря, называют искусственными (прямые 2 и 3).

Вид механической характеристики зависит также и от значе­ния основного магнитного потока Ф. Так, при уменьшении Ф уве­личивается частота вращения х.х. п₀ и одновременно увеличивает­ся Δп, т. е. увеличиваются оба слагаемых уравнения. Это приводит к резкому увеличению наклона механической характе­ристики, т.е. к уменьшению ее жесткости (рис. 3,б).

При изменении напряжения на якоре U меняется частота вра­щения п₀, а Δп остается неизменной. В итоге жесткость механиче­ской характеристики (если пренебречь влиянием реакции якоря) не меняется (рис. 3, в), т. е. характеристики смещаются по высоте, оставаясь параллельными друг другу.

Регулирование частоты вращения двигателей параллельного возбуждения

Способы регулирования частоты вращения двигателей оцени­ваются следующими показателями: плавностью регулирования; диапазоном регулирования, определяемым отношением наиболь­шей частоты вращения к наименьшей; экономичностью регулиро­вания, определяемой стоимостью регулирующей аппаратуры и потерями электроэнергии в ней.

Регулировать частоту вращения двига­теля параллельного возбуждения можно изменением сопротивле­ния в цепи якоря, изменением основного магнитного потока Ф, изменением напряжения в цепи якоря.

Введение дополнительного сопротивления в цепь якоря. Дополнительное сопротивление (реостат r _д) включают в цепь яко­ря аналогично пусковому реостату (ПР). Однако в отличие от по­следнего оно должно быть рассчитано на продолжительное проте­кание тока.

При включении сопротивления r _д в цепь якоря выражение частоты принимает вид (7):

где п₀ = U/(с_еФ) – частота вращения в режиме х.х.;

Δп = I_a(∑r+r _д )/ (с_еФ) – изменение частоты вращения, вызван­ное падением напряжения в цепи якоря.

С увеличением г_д возрастает Δп, что ведет к уменьшению час­тоты вращения. Зависимость п = f ( r_д ) иллюстрируется также и механическими характеристиками двигателя параллельного воз­буждения (рис. 3, а) с повышением r _д увеличивается наклон механических характеристик, а частота вращения при заданной нагрузке на валу (М = М_ном) уменьшается. Этот способ обеспечи­вает плавное регулирование частоты вращения в широком диапа­зоне (только в сторону уменьшения частоты от номинальной), од­нако он неэкономичен из-за значительных потерь электроэнергии в регулировочном реостате (I²_a r _д), которые интенсивно растут с увеличением мощности двигателя.

Изменение основного магнитного потока. Этот способ ре­гулирования в двигателе параллельного возбуждения реализуется посредством реостата г_рг в цепи обмотки возбуждения (см. рис. 2, а).

Так, при уменьшении сопротивления реостата возрастает магнитный поток обмотки возбуждения, что сопровождается по­нижением частоты вращения. При увеличении r _рг час­тота вращения растет. Зависимость частоты вращения от тока возбуждения выражается регулировочной характеристикой двигателя п = f(I_e) при I = const и U= const.

Рисунок 4. Регулировочные характеристики двигателя парал­лельного возбуждения

C уменьшением магнитного потока Ф частота вращения п увеличивается по гиперболическому закону (рис. 4, а). Но одновременно уменьшение Ф ведет к рос­ту тока якоря I _а = М/(с_мФ). При потоке Ф = Ф' ток якоря дости­гает значения I’_а = U/(2 ∑ r), т. е. падение напряжения в цепи яко­ря достигает значения, равного половине напряжения, подведенного к якорю (I’_а∑ r = U/2) В этих условиях частота вращения двигателя достигает максимума n _mах. При дальнейшем уменьшении потока (Ф < Ф') частота вращения двигателя начинает убывать, так как из-за интенсивного роста тока I_а второе слагаемое выражения (4) нарастает быстрее первого.

При небольшом нагрузочном моменте на валу двигателя мак­симальная частота вращения n _mах во мною раз превосходит номи­нальную частоту вращения двигателя п_ном и является недопусти­мой по условиям механической прочности двигателя, т. е. может привести к его «разносу». Учитывая это, при выборе реостата r_рг необходимо следить за тем, чтобы при полностью введенном его сопротивлении частота вращения двигателя не превысила допус­тимого значения.

Например, для двигателей серии 2П допускается превышение частоты вращения над номинальной не более чем в 2-3 раза. Необходимо также следить за надежностью электриче­ских соединений в цепи обмотки возбуждения двигателя, так как при разрыве этой цепи магнитный поток уменьшается до значения потока остаточного магнетизма Ф_ост, при котором частота враще­ния может достигнуть опасного значения.

Вид регулировочных характеристик п = f (Ф) зависит от значе­ния нагрузочного момента М₂ на валу двигателя: с ростом M₂ мак­симальная частота вращения n _max уменьшается (рис. 4, б).

Недостаток рассмотренного способа регулирования частоты вращения состоит в том, что при изменении магнитного потока Ф меняется угол наклона механической характеристики двигателя.

Рассмотренный способ регулирования частоты вращения прост и экономичен, так как в двигателях параллельного возбуж­дения ток I _в = (0,01÷0,07) I _а, а поэтому потери в регулировочном реостате (I _в² r _рг) невелики.

Однако диапазон регулирования обычно составляет n _max / n _min = 2÷5. Объясняется это тем, что нижний предел частоты вращения обусловлен насыщением машины, ограничивающим значение магнитного потока Ф, а верхний предел частоты – опасностью «разноса» двигателя и усилением влияния реакции якоря, иска­жающее действие которого при ослаблении основного магнитного потока Ф усиливается и ведет к искрению на коллекторе или же к появлению кругового огня.

Изменение напряжения в цепи якоря. Регулирование часто­ты вращения двигателя изменением питающего напряжения при­меняется лишь при I _в = const, т. е. при раздельном питании цепей обмотки якоря и обмотки возбуждения при независимом возбуж­дении.

Частота вращения в режиме х.х. n₀ пропорциональна напря­жению, а Δ n от напряжения не зависит (6), поэтому ме­ханические характеристики двигателя при изменении напряжения не меняют угла наклона к оси абсцисс, а смещаются по высоте, оставаясь параллельными друг другу (см. рис. 3, в). Для осуще­ствления этого способа регулирования необходимо цепь якоря двигателя подключить к источнику питания с регулируемым на­пряжением. Для управления двигателями малой и средней мощно­сти в качестве такого источника можно применить регулируемый выпрямитель, в котором напряжение постоянного тока меняется регулировочным автотрансформатором (АТ), включенным на вхо­де выпрямителя (рис. 5, а).

Для управления двигателями большой мощности целесооб­разно применять генератор постоянного тока независимого возбу­ждения; привод осуществляется посредством приводного двигате­ля (ПД), в качестве которого обычно используют трехфазный двигатель переменного тока. Для питания постоянным током це­пей возбуждения генератора Г и двигателя Д используется возбу­дитель В – генератор постоянного тока, напряжение на выходе которого поддерживается неизменным. Описанная схема управле­ния двигателем постоянного тока (рис. 5, б) известна под названием системы «генератор—двигатель» (Г-Д).

Изменение напряжения в цепи якоря позволяет регулировать частоту вращения двигателя вниз от номинальной, так как напря­жение свыше номинального недопустимо. При необходимости регулировать частоту вращения вверх от номинальной можно воспользоваться изменением тока возбуждения двигателя.

Рисунок 5.Схемы включения двигателей постоянного тока при регули­ровании частоты вращения изменением напряжения в цепи якоря

Изменение направления вращения (реверс) двигателя, рабо­тающего по системе Г-Д, осуществляется изменением направле­ния тока в цепи возбуждения генератора Г переключателем Я, т. е. переменой полярности напряжения на его зажимах. Если двигатель постоянного тока работает в условиях резко переменной на­грузки, то для смягчения колебаний мощности, потребляемой ПД из трехфазной сети, на вал ПД помещают маховик М, который за­пасает энергию в период уменьшения нагрузки на двигатель Д и отдает ее в период интенсивной нагрузки двигателя.

Регулирование частоты вращения изменением напряжения в цепи якоря обеспечивает плавное экономичное регулирование в широком диапазоне n _max / n _min ≥25. Наибольшая частота вращения здесь ограничивается условиями коммутации, а наименьшая — условиями охлаждения двигателя.

Еще одним достоинством рассматриваемого способа регули­рования является то, что он допускает безреостатный пуск двига­теля при пониженном напряжении.

Импульсное регулирование частоты вращения. Сущность этого способа регулирования иллюстрируется схемой, изображен­ной на рисунке 6(а). Цепь обмотки якоря двигателя параллельного (независимого) возбуждения периодически прерывается ключом К. Во время замыкания цепи якоря на время t к обмотке якоря подводится напряжение U = U _имп и ток в ней достигает значения I_{а max}. Затем ключом К цепь якоря размыкают и ток в ней убывает, достигая к моменту следующего замыкания цепи значения I_{а min} (при размыкании ключа К ток в обмотке якоря замыкается через диод VD). При следующем замыкании ключа К ток достигает зна­чения I_{а max} и т. д. Таким образом, к обмотке якоря подводится не­которое среднее напряжение (8):

где Т – отрезок времени между двумя следующими друг за дру­гом импульсами напряжения (рис. 6, б);

α = t/T – коэффици­ент управления.

При этом в обмотке якоря проходит ток, среднее значение которого I_{а ср} = 0,5(I_{а max} + I_{а min}).

При импульсном регулировании частота вращения двигателя (9):

Таким образом, импульсное регулирование частоты вращения аналогично регулированию изменением подводимого к цепи якоря напряжения. С целью уменьшения пульсаций тока в цепи якоря включена катушка индуктивности (дроссель) L, а частота подачи импульсов равна 200-400 Гц.

Рисунок 6. Импульсное регулирование частоты вращения двига­теля постоянного тока

На рисунке 6 (в) представлена одна из возможных схем им­пульсного регулирования, где в качестве ключа применен управ­ляемый диод – тиристор VS. Открывается тиристор подачей крат­ковременного импульса от генератора импульсов (ГИ) на управляющий электрод (УЭ) тиристора. Цепь L₁C, шунтирующая тиристор, служит для запирания последнего в период между двумя управляющими импульсами. Происходит это следующим образом: при открывании тиристора конденсатор С перезаряжается через контур L₁C и создает на силовых электродах тиристора напряже­ние, обратное напряжению сети, которое прекращает протекание тока через тиристор.

Параметрами цепи L₁C определяется время (с) открытого состояния тиристора: Здесь L выража­ется в генри (Гн); С – в фарадах (Ф).

Значение среднего напряжения U_cp регулируется изменением частоты следования управляющих импульсов от генератора им­пульсов на тиристор VS.

Жесткие механические характеристики и возможность плав­ного регулирования частоты вращения в широком диапазоне оп­ределили области применения двигателей параллельного возбуж­дения в станочных приводах, вентиляторах, а также во многих других случаях регулируемого электропривода, где требуется ус­тойчивая работа при колебаниях нагрузки.

Режимы работы машины постоянного тока

В двигателях параллельного возбуждения при неизменном то­ке в обмотке возбуждения (I _в = const) магнитный поток изменяется при нагрузке весьма незначительно, поэтому с некоторым при­ближением можно принять Ф = const. В этом случае электромаг­нитный момент пропорционален току в цепи якоря и механическая характеристика п = f(М) может быть представлена зависимостью п = f(I_a) (рис. 7). Если эту характеристику про­должить в обе стороны за пределы осей координат (прямая 1), то можно показать, что электрическая машина в зависимости от ве­личины и знака внешнего момента, действующего на ее вал со стороны связанного с ним механизма, может работать в трех ре­жимах: двигательном, тормозном и генераторном.

При работе двигателя без нагрузки ток в цепи якоря I_а0 не­большой. При этом частота вращения п = n₀ (точка А). Затем с по­явлением на валу двигателя нагрузочного момента, противодейст­вующего вращающему, ток в цепи якоря возрастает, а частота вращения уменьшается. Если увеличить противодействующий момент до значения, при котором якорь двигателя остановится (точка В), то ЭДС Е_а = 0 и ток двигателя достигает значения I_ак = U/∑r. Если двигатель применяют для привода механизма, на­грузочный момент которого может быть больше вращающегося (например, привод барабана, на который наматывается трос с гру­зом), то при последующем увеличении нагрузочного момента это­го механизма якорь машины вновь начнет вращаться, но теперь уже в другую сторону. Теперь момент, действующий на вал элек­трической машины со стороны нагрузочного механизма, будет вращающим, а электромагнитный момент машины – тормозя­щим, т. е. электрическая машина перейдет в тормозной ре­жим. При работе машины в этом режиме ЭДС якоря действует согласованно с напряжением, т. е. I_a=(U + Е_а) / ∑r.

При использовании машины в тормозном режиме необходимо принять меры для ограничения тока якоря. С этой целью в цепь якоря включают добавочное сопротивление, величина которого обеспечивает получение искусственной характеристики двигателя, пересекающейся с осью абсцисс при токе якоря I_aном < I_ак (штрихо­вая прямая).

Если при работе двигателя в режиме х.х. к его валу приложить момент, направленный в сторону вращения якоря, то частота вра­щения, а следовательно, и ЭДС Е_а начнут возрастать. Когда ЭДС Е_а = U, машина не будет потреблять тока из сети (точка С) и час­тота вращения якоря достигает значения, называемого погранич­ной частотой вращения n _{х х}.

Рисунок 7. Режимы работы машины постоянного тока:

3- с параллельным (независимым) возбуждением; 2 – со смешанным возбуждением;

3 – с последовательным возбуж­дением

При дальнейшем увеличении внешнего момента на валу ма­шины ЭДС Е_а станет больше напряжения, а в цепи якоря опять возникает ток, но другого направления. При этом машина перей­дет в генераторный режим: механическая энергия, затрачи­ваемая на вращение якоря, будет преобразовываться в электриче­скую и поступать в сеть.

Перевод машины из двигательного в генераторный режим ис­пользуют для торможения двигателя, так как в генераторном ре­жиме электромагнитный момент является тормозящим (рекупера­тивное торможение).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: