ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Цель работы: познакомиться с принципом работы коллекторного двигателя, экспериментально изучить зависимость мощности и момента силы двигателя от частоты вращения.

Оборудование: коллекторный двигатель последовательного возбуждения, вольтметр, амперметр, динамометр, стробоскоп.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Электродвигатели– это машины, превращающие электрическую энергию источника тока в механическую работу. Работа электродвигателей обусловлена действием сил Ампера на проводник с током в магнитном поле. Величина силы определяется законом Ампера

F = J B l sin γ, (1)

где J – сила тока; B – индукция магнитного поля; l – длина проводника; γ – угол между проводником и вектором индукции магнитного поля.

Направление силы Ампера определяется правилом левой руки: если четыре пальца расположить вдоль проводника в направлении тока, а силовые линии магнитного поля входят в ладонь, то отогнутый большой палец покажет направление силы Ампера.

На рамку с током в магнитном поле действует вращающий момент сил Ампера, равный произведению силы на плечо: M = Fd =JBlb sin α (рис. 1).Произведение длины активных проводников рамки на расстояние между ними равно площади рамки: S=lb. Тогда формула для момента сил примет вид

M=JBS sin α. (2)

Но чтобы рамка вращалась непрерывно, нужно через каждые пол-оборота, когда проводники поменяются местами, изменять направление электрического тока. Это делается с помощью коллекторных полуколец, по которым скользят токоподводящие щетки. В двигателях применяют не одну рамку, а много витков. Витки через коллектор соединены так, что по всем проводникам течет ток одинаковой силы J.

Основными узлами коллекторного двигателя являются вращающийся якорь в форме цилиндра с активными проводниками в пазах, неподвижная станина с катушками возбуждения магнитного поля и коллекторно-щеточный узел (рис. 2).

Получим уравнения момента силы и мощности электродвигателя. Допустим, что полюсные наконечники катушек возбуждения концентрично охватывают якорь, и силовые линии перпендикулярны воздушному зазору (sin α = 1). Поэтому момент сил Ампера всех витков одинаков (рис. 2). Умножив момент силы одного витка (2) на число витков, получим формулу момента сил якоря

М = JBSN. (3)

Механическая мощность, развиваемая электродвигателем, равна произведению момента сил якоря на угловую скорость вращения

P_мех=JBSNω. (4)

Сила тока двигателя зависит не только от ЭДС источника U, но и еще от возникающей при вращении рамки в магнитном поле электродвижущей силы индукции Е. По закону Фарадея она равна скорости изменения магнитного потока . Дифференцируя формулу потока по времени, при , получим для ЭДС всех витков якоря формулу

(5)

ЭДС электромагнитной индукции согласно правилу Ленца противодействует вращению якоря и направлена навстречу ЭДС источника тока. Поэтому закон Ома для цепи с двумя источниками имеет вид

. (6)

где r – активное сопротивление катушек двигателя. Умножив уравнение закона Ома (6) на силу тока, получим уравнение баланса мощности:

(7)

Электрическая мощность, получаемая двигателем от источника тока, преобразуется в двигателе в механическую мощность и частично в тепловую мощность. Как видно из уравнения (7), механическая мощность равна произведению ЭДС индукции на силу тока:

P_мех = JE = JBSNω. (8)

Формулы (8)и (4),как и должно быть, совпадают.

Исследуем полученные уравнения. В момент пуска двигателя, пока якорь еще не вращается, ЭДС индукции отсутствует и сила тока может достичь больших значений. Момент сил якоря наибольший, а механическая мощность в отсутствии вращения равна нулю. С началом вращения ЭДС индукции возрастает, сила тока и момент сил уменьшаются, а мощность растет (рис. 3).

В режиме холостого хода, когда нагрузки нет, момент сил якоря равен сравнительно небольшому моменту сил трения. Поэтому скорость вращения достигает больших значений, так что ЭДС индукции почти равна напряжению источника тока, и двигатель почти не потребляет тока. Полезная мощность уменьшается до незначительной величины.

Лабораторная установка для определения момента силы и мощности электродвигателя состоит из коллекторного электродвигателя, нагруженного на динамометр, амперметра и вольтметра (рис. 4). К двум пружинам динамометра привязана нить, которая надевается на шкив двигателя. Момент сил трения нити о шкив можно определить как произведение разности сил натяжения пружин на радиус шкива:

. (8)

Здесь k – коэффициент упругости пружин; x = х ₁- х ₂ – разность деформаций пружин динамометра; d – диаметр шкива. Частоту вращения якоря определяют с помощью стробоскопа.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Установить самое близкое расстояние динамометра от двигателя. Включить двигатель в сеть 220 В. Установить реостатом некоторую частоту вращения. Измерить частоту вращенияякоря n. Измерить с помощью линейки разность координат концов пружин динамометра х. Измерить силу потребляемого тока J и напряжение U. Результаты записать в таблицу.

3. Повторить измерения не менее пяти раз при других расстояниях между динамометром и двигателем во всем интервале возможных расстояний, может даже вплоть до затормаживания двигателя на короткое время.

Таблица

4. Произвести расчеты. Определить момент сил нагрузки
по формуле (8) в каждом опыте. Принять значение коэффициента упругости пружины k = 0,021 Н/мм. Определить механическую мощность Р_мех = М 2 πn. Определить мощность, полученную от источника тока Р_ист = JU.

5. Построить на одном графике экспериментальные зависимости механической мощности Р_мех, мощности, полученной от источника тока Р_ист,имомента сил нагрузки М от частоты вращения электродвигателя. Сделать выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Сформулировать закон Ампера и правило левой руки для определения направления силы.

2. Сделать вывод формул для момента силы, развиваемого якорем и полезной мощности электродвигателя.

3. Объяснить возникновение ЭДС индукции обмотки якоря. Сделать вывод формулы ЭДС.

4. Записать и объяснить закон Ома для цепи: источник тока – электродвигатель и уравнение баланса мощности. Совершает ли магнитное поле работу?

5. Объяснить зависимость силы тока, момента сил коллекторного электродвигателя от частоты вращения якоря.

6. Объяснить зависимость полезной мощности электродвигателя от частоты вращения якоря.

СОДЕРЖАНИЕ

Вводное занятие........................................................................................... 3

Работа 20. Изучение электростатического поля................................... 7

Работа 21. Определение ЭДС и мощности источника тока............. 12

Работа 22. Определение удельного заряда электрона........................ 17

Работа 23. Изучение явления взаимной индукции............................. 22

Работа 24 а. Изучение затухающих и вынужденных колебаний....... 28

Работа 24 б. Изучение вынужденных колебаний…………………...34

Работа 25 а. Изучение процессов в цепи с конденсатором................. 40

Работа 25 б. Изучение процессов в цепи с индуктивностью…….....45

Работа 26 а. Определение индукции магнитного поля катушки......50

Работа 26 б. Определение индукции магнитного поля Земли........... 55

Работа 27. Определение индуктивности катушки............................. 60

Работа 28. Изучение намагничивания ферромагнетиков.................. 65

Работа 29. Определение длины электромагнитной волны.............. 71

Работа 56. Определение мощности электродвигателя……………..77

Шушарин Анатолий Васильевич

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Учебно-методическое пособие

к лабораторным занятиям

Редактор Гришина Л.Ф.

Подписано в печать 20.08. 07.

Формат 60х88 ¹/₁₆. Печать офсетная.
Уч.-изд. л.. 4,25
Усл. печ. л.. Тираж 200 экз.
Заказ. Цена договорная

Отпечатано в Издательском центре ЧИПС

454111 Челябинск, ул. Цвиллинга, 56

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: