Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Исследование двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Электротехника и электроника»
Покупка
Новинка
Артикул: 837526.01.99
Доступ онлайн
600 ₽
В корзину
Изложены основные теоретические сведения о конструкции, принципе действия двигателей постоянного тока независимого возбуждения, рассмотрены возможные способы регулирования частоты вращения двигателя, основные расчетные соотношения и формулы. Приведено описание лабораторного стенда, представлены задание, порядок выполнения и методические указания по проведению работы, а также вопросы для контроля знаний студентов. Для студентов, обучающихся по программам бакалавриата и специалитета и изучающих дисциплину «Электротехника и электроника».
Исследование двигателя постоянного тока независимого возбуждения : методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Электротехника и электроника» / А. Б. Красовский, С. А. Васюков, О. И. Мисеюк, Ю. В. Трунин. - Москва : Издательство МГТУ им. Баумана, 2014. - 24 с. - ISBN 978-5-7038-4053-5. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.ru/catalog/product/2161114 (дата обращения: 19.07.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

 
 
 
Исследование двигателя  
постоянного тока  
независимого возбуждения 
 
Методические указания  
к выполнению лабораторной работы  
по дисциплине «Электротехника и электроника» 
 
 

 
 
 
 
 
 

УДК 621.3 
ББК 31.2 
         К78 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/72/book711.html 
 
Факультет «Фундаментальные науки» 
 
Кафедра «Электротехника и промышленная электроника» 
 
Рекомендовано Учебно-методической комиссией  
Научно-учебного комплекса «Фундаментальные науки»  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве методических указаний 

Рецензент  
канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. А.В. Журавлев  
 
    Красовский, А. Б. 
Исследование двигателя постоянного тока независимого возбуждения : методические указания к выполнению 
лабораторной работы по дисциплине «Электротехника и 
электроника» / А. Б. Красовский, С. А. Васюков, О. И. Мисеюк, Ю. В. Трунин. — Москва : Издательство МГТУ  
им. Н. Э. Баумана, 2014. — 21, [3] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-4053-5 
Изложены основные теоретические сведения о конструкции, 
принципе действия двигателей постоянного тока независимого возбуждения, рассмотрены возможные способы регулирования частоты 
вращения двигателя, основные расчетные соотношения и формулы. 
Приведено описание лабораторного стенда, представлены задание, 
порядок выполнения и методические указания по проведению работы, а также вопросы для контроля знаний студентов. 
Для студентов, обучающихся по программам бакалавриата и 
специалитета и изучающих дисциплину «Электротехника и электроника». 
                                                                                                        
                                                                                                          УДК 621.3 
    ББК 31.2 
 
                            
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 
© Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-4053-5 
    МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 

К78 

ВВЕДЕНИЕ 

Двигатели постоянного тока (ДПТ) независимого возбуждения 
находят применение в электроприводах прокатных станов, различных подъемных механизмов, металлообрабатывающих станков, роботов, на транспорте и т. д. ДПТ небольшой мощности используют в автоматических устройствах. От других названные 
двигатели отличает наличие специального механического коммутатора — коллектора. Несмотря на то что из-за этого ДПТ менее 
надежны и дороже двигателей переменного тока, громоздки, они 
находят применение тогда, когда их особые свойства имеют решающее значение. Часто ДПТ обладают преимуществами перед 
двигателями переменного тока по диапазону и плавности регулирования частоты вращения, перегрузочной способности и экономичности, возможности получения характеристик специального 
вида и т. д. 
Применяемые на практике способы регулирования частоты вращения ДПТ независимого возбуждения (изменением подводимого к 
якорю двигателя напряжения; ослаблением потока возбуждения и 
включением в цепь якоря дополнительного резистора) обеспечиваются при различных схемах включения двигателя и характеризуются 
своими регулировочными и энергетическими показателями. Поэтому 
важным этапом изучения ДПТ является экспериментальное закрепление теоретических знаний по реализации и оценке различных способов регулирования их скорости. 

Цель работы — приобретение навыков экспериментального 
исследования основных свойств и  характеристик электрических 
двигателей постоянного тока независимого возбуждения. 

1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 

1.1. Устройство и принцип действия  
двигателей постоянного тока 

Внешний вид двигателя постоянного тока показан на рис. 1,  
а его поперечный разрез в упрощенном виде — на рис. 2. Как и любая 
электрическая машина, он состоит из двух основных частей — статора и ротора. Статор неподвижен, ротор вращается. Статор состоит из 
массивного стального корпуса 1, к которому прикреплены главные 
полюсы 2 и дополнительные полюсы 4. Главные полюсы имеют полюсные наконечники, служащие для равномерного распределения 
магнитной индукции по окружности якоря. На главных полюсах размещают обмотки возбуждения 3, а на дополнительных — обмотки 
дополнительных полюсов 5. 

Рис. 1. Внешний вид двигателя постоянного тока 

Рис. 2. Поперечный разрез ДПТ (условное изображение):  
1 — корпус; 2 — главные полюсы; 3 — обмотка возбуждения; 4 — дополнительные полюсы; 5 — обмотка дополнительных полюсов; 6 — якорь; 7 — обмотка 
якоря; 8 — щетки; 9 — коллектор; 10 — вал 

В пазах, расположенных на поверхности якоря 6, размещается 
обмотка якоря 7, выводы от которой присоединяют к расположенному на валу 10 коллектору 9. К коллектору с помощью пружин 
прижимаются графитные, угольно-графитные или медно-графитные щетки 8. 
Обмотка возбуждения (ОВ) машины питается постоянным током Iв и служит для создания основного магнитного поля, показанного на рис. 2 условно с помощью двух силовых штриховых 
линий. Дополнительные полюсы 4 уменьшают искрение между 
щетками и коллектором. Обмотку дополнительных полюсов 5 соединяют последовательно с обмоткой якоря 7 и на электрических 
схемах часто не изображают.  
На рис. 2 показана машина постоянного тока с двумя главными 
полюсами. В зависимости от мощности и напряжения машины могут 
иметь и большее число полюсов. При этом соответственно увеличивается число комплектов щеток и дополнительных полюсов. 
У ДПТ с независимым возбуждением, как показано на рис. 3, 
электрические цепи обмоток якоря 1 и возбуждения 2 электрически не связаны и подключаются к различным источникам питания 
с напряжениями U  и 
в
U соответственно. Как правило, 
в.
U
U

  В 
общем случае последовательно с якорной обмоткой и обмоткой 
возбуждения могут быть включены дополнительные резисторы rд 
и rр (см. рис. 3), назначение которых пояснено далее. 

Рис. 3. Электрическая схема подключения ДПТ независимого  
возбуждения: 
1 — цепь обмотки якоря; 2 — цепь обмотки возбуждения (ОВ);  
rя — сопротивление обмотки якоря 
 
Двигатели относительно небольшой мощности обычно изготовляют на одинаковые напряжения U  и 
в.
U
 В этом случае цепи 
обмоток якоря и возбуждения соединяют между собой параллельно и подключают к общему источнику питания с напряжением 

в.
U
U

 Такие ДПТ называют двигателями параллельного возбуждения. Если мощность источника питания значительно превышает 
мощность двигателя, процессы в якорной обмотке и обмотке возбуждения протекают независимо. Поэтому эти двигатели являются 
частным случаем ДПТ независимого возбуждения и их свойства 
одинаковы. 
При подключении двигателя к источнику питания в обмотке 
якоря протекает ток Iя, который взаимодействует с магнитным полем, создаваемым обмоткой возбуждения. В результате этого возникает электромагнитный момент, действующий на якорь: 

 
я,
М
k
I
 
 
(1) 

где k — коэффициент, зависящий от конструктивных параметров 
машины; Ф — магнитный поток одного полюса. 

При превышении моментом М момента сопротивления нагрузки Мс якорь начинает вращаться с угловой скоростью   и в нем 
наводится ЭДС  

 
ω.
E
k
 
 
(2) 

У двигателей полярность ЭДС Е противоположна полярности 
напряжения источника U, поэтому с ростом скорости   ток  Iя  
уменьшается: 

 
я
я
я
Ф
.
U
k
U
E
I
r
r






 
(3) 

Из соотношения (1) следует, что это приводит к снижению электромагнитного момента. При равенстве моментов M  и 
с
M  скорость 
вращения якоря перестает изменяться. Чтобы изменить направление 
вращения двигателя, следует изменить полярность напряжения 
,
U  
что изменит направления тока 
яI  и  момента 
.
M  Двигатель начнет 
замедляться, а затем разгонится в обратную сторону. 

1.2. Пуск двигателя 

В первое мгновение при пуске скорость двигателя  = 0 и в соответствии с формулой (2) ЭДС якоря Е = 0. Поэтому при подключении якоря двигателя к напряжению U  пусковой ток якоря 
я.п,
I
 
как следует из формулы (3), ограничивается только сопротивлением якорной цепи  rя (при rд = 0): 

 

я

я.п
.
U
I
r

 
(4) 

Значение яr  относительно невелико (обычно в пределах 1 Ом), 
поэтому если напряжение U  близко по значению к номинальному 
напряжению, значение пускового тока 
я.п
I
 может в 10–30 раз превышать номинальное значение тока двигателя 
я.н.
I
 Это недопустимо, поскольку ведет к сильному искрению и разрушению коллектора, а при частых пусках возможен перегрев обмотки якоря.  
Как следует из формулы (4), одним из вариантов ограничения 
пускового тока является увеличение суммарного сопротивления 
якорной цепи ДПТ при неизменном значении напряжения U. Для 

этого последовательно с якорем включают дополнительный пусковой реостат (на рис. 3 не показан), который обычно выполняют в 
виде нескольких ступеней. Ступени пускового реостата выключают поэтапно по мере увеличения скорости двигателя. При этом в 
якоре двигателя за время пуска могут выделяться значительные 
потери мощности. 
Более экономичным способом снижения пускового тока 
я.п
I
 
является пуск ДПТ при плавном увеличении напряжения на якоре 
U по мере разгона двигателя и увеличения ЭДС Е. Как следует из 
выражения (3), можно подобрать такой темп увеличения напряжения U, при котором ток 
яI  на протяжении всего времени пуска не 
будет превышать допустимого значения.  В лабораторной установке используется именно этот более экономичный способ ограничения пускового тока. 

1.3. Технические данные двигателей 

В паспорте ДПТ независимого возбуждения указываются следующие номинальные величины: напряжение якоря 
н,
U
 ток якоря 

я.н,
I
 мощность на валу
н,
P  частота вращения 
н,
n
 КПД 
н,

 ток 
возбуждения 
в.н.
I
 
Под номинальным напряжением 
н
U  понимают напряжение, на 
которое рассчитаны обмотка якоря и коллектор. Номинальные 
значения токов якоря 
я.н
I
 и возбуждения 
в.н
I
 — максимальные 
длительно допустимые их значения, при которых двигатель не перегревается выше допустимой температуры. 
Номинальная мощность 
н
P  — это мощность 
2,
Р
 развиваемая 
двигателем на валу при работе с номинальным моментом 
н
M  и 
номинальной скоростью вращения 
н,

 т. е. 

 
 
н
н
2н
н
н
н
.
9,55
M n
P
P
M


 
 
          (5) 

Значение номинальной скорости н, с–1, связано с номинальной частотой вращения 
н,
n
 об/мин, соотношением 

 
н
н
.
30
n

 
 
(6) 

Частота вращения 
н
n  или скорость н и КПД  
н
  соответствуют 
работе двигателя с токами 
я.н
I
  и 
в.н
I
 и напряжением 
н
U  без дополнительных резисторов в цепях двигателя (на рис. 3  rд = 0, rр = 0). 
Мощность, потребляемая двигателем из сети в номинальном 
режиме, определяется как  

 
1н
н я.н
в в.н,
P
U I
U I


 
(7) 

а номинальный  КПД 

 
2н
н
1н
.
P
P
 
 
(8) 

Соотношения (5) — (8) справедливы и для любого режима работы ДПТ, отличного от номинального режима. 

1.4. Электромеханические и механические характеристики. 
Регулирование скорости двигателя 

При анализе свойств ДПТ широко используют электромеханические (Iя) и механические (M ) характеристики. Если к обмоткам двигателя подведены номинальные напряжения (U = Uн,  
Uв = Uв.н) и отсутствуют дополнительные резисторы в его цепях  
(rд = 0, rр = 0), то двигатель имеет характеристики, называемые 
естественными. На естественных характеристиках находятся точки, соответствующие номинальному режиму работы ДПТ.  
Если же 
н,
U
U

 
в
в.н,
I
I

 либо в цепи якоря 
д
0,
r 
 то механические характеристики, соответствующие этим условиям, называются искусственными. На этих характеристиках двигатель работает при пуске, торможении, реверсе и регулировании скорости 
вращения.  
Преобразовав выражение (3) относительно скорости ,  получим уравнение электромеханической характеристики (Iя): 

 
я я ,
Ф
Ф
I r
U
k
k
 

 
(9) 

а с учетом формулы (1) — уравнение механической характеристики (M ): 

 
я
2 .
Ф
( Ф)
Mr
U
k
k
 

 
(10) 

При экспериментальных исследованиях измерения и количественные сопоставления часто удобнее проводить, оперируя частотой вращения n, об/мин, вместо угловой скорости , с–1. Тогда 
уравнение электромеханической характеристики записывают в 
виде 
я
(
):
n I
 

 
я я ,
Ф
Ф
Е
Е
I r
U
n
k
k


 
(11) 

а уравнение механической характеристики — в виде n(M ): 

 
я
2 ,
Ф
Ф
Е
Е
M
U
Mr
n
k
k k


 
(12) 

причем конструктивные коэффициенты связаны выражением  

E
M
k
k
= 0,105;  kМ  = 0,105k. Из соотношений (9), (10) или (11), 
(12) видно, что при неизменных U, Ф, rя эти характеристики представляют собой прямые наклонные линии. Вследствие некоторого 
влияния тока якоря на результирующий поток двигателя (называемого реакцией якоря) эти характеристики несколько отличаются 
от прямых линий. 
Режим работы двигателя при 
0
M 
 называют идеальным холостым ходом. Соответствующая этому режиму скорость идеального холостого хода определяется из уравнения (10): 

 
0
,
Ф
U
k
 
 
(13) 

а частота вращения идеального холостого хода — соответственно 
из (12): 

 
0
.
Ф
Е
U
n
k

 
(14) 

В качестве примера естественная механическая характеристика 
(
)
n M показана на рис. 4 (характеристика 1). Как видно, некоторому значению момента 
1
M на этой характеристике соответствует 
значение частоты вращения 
1
0.
n
n

 
Из уравнений (9)–(12)  следует, что частоту вращения или угловую скорость двигателя можно регулировать изменением: 
1) суммарного сопротивления цепи якоря; 

Доступ онлайн
600 ₽
В корзину