СОДЕРЖАНИЕ 

 

 

Вариант 16

Задача№2

    Двигатель постоянного тока параллельного  возбуждения под нагрузкой. 

    1. Общие сведения.

    Свойства  двигателей постоянного тока существенно  зависят от того, как изменяется их магнитный поток с изменением нагрузки на валу. Эта зависимость  определяется схемой включения их обмоток  возбуждения. Различают двигатели параллельного (шунтовые), последовательного (сериесные), смешанного (компаундные) возбуждений.

    В данной работе изучается двигатель  параллельного возбуждения, который  часто включают по схеме, представленной на рис.2. Как видно из рис.2, его  обмотку возбуждения Ш1 - Ш2 включают в сеть постоянного напряжения параллельно обмотке якоря Я1 - Я2. Важной особенностью двигателя параллельного возбуждения является то, что его ток возбуждения не зависит от механической нагрузки двигателя: 

       

    Если  не учитывать некоторого изменения магнитного потока Ф вследствие реакции якоря, то при Iв = соnst можно считать Ф= const. 

    На  практике, например в электроприводах  прокатных станов, используют и другую схему включения двигателя параллельного  возбуждения: обмотку возбуждения и обмотку якоря двигателя питают от разных источников постоянного напряжения. Это делают для того, чтобы иметь возможность независимо регулировать напряжение на зажимах якоря. При такой схеме включения двигателя ток возбуждения Iя также не зависит от момента на валу двигателя. 

    Особенность включения двигателя на лабораторном стенде (см. рис.1) - источник напряжения цепи возбуждения является регулируемым. 

      

    Рис.2 

    Если  двигатель включен в сеть постоянного  напряжения, то при взаимодействии магнитного поля, созданного обмоткой возбуждения, и тока в проводниках якоря возникает вращающий момент, действующий на якорь:

       (1)

       (2) 

    где КМ - коэффициент, зависящий от конструктивных параметров машины; Ф - магнитный поток  одного полюса; IЯ - ток якоря. 

    Если момент двигателя при n = 0 превышает тормозящий момент, которым нагружен двигатель, то якорь начнет вращаться. При увеличении частоты вращения n возрастает индуцируемая в якоре ЭДС. Это приводит к уменьшению тока якоря:

       (3) 

    где rЯ - сопротивление якоря. 

    Следствием  уменьшения тока IЯ является уменьшение момента двигателя. При равенстве  моментов двигателя и нагрузки частота  вращения перестает изменяться. 

    Направление момента двигателя и, следовательно, направление вращения якоря зависят  от направления магнитного потока и тока в проводниках обмотки якоря. Чтобы изменить направление вращения двигателя, следует изменить направление тока якоря либо тока возбуждения. 

    2. Пусковые характеристики 

    Из  формулы (3) следует, что в первое мгновение после включения двигателя в сеть постоянного напряжения, т.е. когда и ,

      

    Так как сопротивление rЯ невелико, то ток якоря может в 10…30 раз превышать  номинальный ток двигателя, что  недопустимо, поскольку приведет к  сильному искрению и разрушению коллектора. Кроме того, при таком токе возникает недопустимо большой момент двигателя, а при частых пусках возможен перегрев обмотки якоря. 

    Чтобы уменьшить пусковой ток в цепи якоря, включают пусковой резистор, сопротивление  которого по мере увеличения частоты  вращения двигателя уменьшают до нуля. Если пуск двигателя автоматизирован, то пусковой резистор выполняют из нескольких ступеней, которые выключают последовательно по мере увеличения частоты вращения.

    Так как после указанных переключений контакты К2.1 и К3 остаются разомкнутыми, в цепь якоря двигателя оказываются включенными резисторы rп и rд. Таким образом, пусковой ток якоря

    

    По  мере разгона двигателя в обмотке  якоря возрастает ЭДС, а как следует  из формулы (3), это приводит к уменьшению тока якоря IЯ. Поэтому по мере увеличения частоты вращения двигателя сопротивление в цепи якоря уменьшают.  

    2. Режим динамического торможения 

    Под номинальным Uн понимают напряжение, на которое рассчитаны обмотка якоря  и коллектор, а также в большинстве  случаев и параллельная обмотка  возбуждения. С учетом номинального напряжения выбирают электроизоляционные материалы двигателя. 

    Номинальный ток Iн – максимально допустимый ток (потребляемый из сети), при котором  двигатель нагревается до наибольшей допустимой температуры, работая в  том режиме (длительном, повторно-кратковременном, кратковременном), на который рассчитан: 

    Поскольку у двигателя параллельного возбуждения Iв  = const  и, в идеале, Ф = соnst, то согласно выражению (1), между током Iя и моментом М существует линейная зависимость (рис.5, прямая 1). Очевидно, что зависимость (1) справедлива при любом сопротивлении цепи якоря двигателя. Работе двигателя с различными сопротивлениями цепи якоря при одном и том же моменте, например М1 (см. рис.5), соответствует одно и тоже значение тока якоря IЯ1. Меньшему значению тока возбуждения Iв (магнитного потока Ф) соответствует прямая 2 (см. рис.5). В этом случае при том же значении момента, например, М1 ток якоря имеет бόльшее значение (IЯ2). 

    Из  выражения (1) следует, что прямая 1 (см. рис.5) соответствует любым напряжениям на зажимах якоря двигателя. Таким образом, при работе двигателя с различными напряжениями на зажимах якоря одному и тому же моменту, например моменту М1 (см. рис.5), соответствует один и тот же ток якоря (IЯ1). 

    Следует обратить внимание на то, что в реальных условиях при работе двигателей вхолостую (М = 0) в обмотке якоря существует небольшой ток холостого хода Ixx. Он обусловлен наличием сил трения и потерь в стали магнитопровода якоря двигателя.

      
 
 

    4. Определить потери 

      - потери в обмотке якоря; - потери в обмотке возбуждения; - потери в магнитопроводе якоря; - механические потери. 

    5. Схемы включения в различных  режимах 

    Машина  постоянного тока может работать в двух режимах: двигательном и генераторном.

    Электродвигатель постоянного тока

    Электродвигатели  постоянного тока стоят почти  на каждом автомобиле, это стартер, электропривод стеклоочистителя, вентилятор «печки» и др.

    В роли индуктора выступает статор, на котором расположена обмотка. На неё подаётся постоянный ток, в результате чего вокруг неё создаётся постоянное магнитное поле. Обмотка ротора состоит из проводников, запитанных через коллектор. В результате на них действуют пары сил Ампера, которые вызывают вращающий момент. Направление сил определяется по правилу «буравчика». Однако этот вращающий момент способен повернуть ротор только на 180 градусов, после чего он остановится. Чтобы это предотвратить, используется щёточно-коллекторный узел, выполняющий роль переключателя полюсов и датчика положения ротора (ДПР).

    Генератор постоянного тока

    В генераторе индуктором также является статор, создающий постоянное магнитное  поле между соответствующими полюсами. При вращении ротора, в проводниках  обмотки якоря, перемещающихся в  магнитном поле, по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. Переменная ЭДС обмотки якоря выпрямляется с помощью коллектора, через неподвижные щетки, посредством которых обмотка соединяется с внешней сетью. 

 

   Задача 4.

  Расчет  потребной мощности и выбор типа двигателя постоянного тока электромеханизма привода стабилизатора. 
 

    От  правильного выбора электродвигателя по мощности зависят надежность его  работы в электроприводе и энергетические показатели в процессе эксплуатации. В тех случаях, когда нагрузка двигателя существенно меньше номинальной, он недоиспользуется по мощности, что свидетельствует об излишних капитальных вложениях, его КПД и коэффициент мощности заметно снижаются.

    Если  нагрузка превышает номинальную, это  приводит к увеличению токов и потерь мощности выше соответствующих номинальных значений, вследствие чего температура (превышение температуры) обмоток и магнитопровода двигателя может превысить допустимое значение. Рост температуры выше заданных значений приводит к резкому ускорению старения изоляции вследствие из-

    менения ее физико-химических свойств и соответственно уменьшению срока службы и надежности двигателя в целом, поэтому одним  из основных критериев выбора двигателя  по мощности является температура (превышение температуры) обмоток.

    Задача  выбора электродвигателя по мощности осложняется тем обстоятельством, что нагрузка на его валу в процессе работы, как правило, изменяется во времени, вследствие чего изменяются также  потери мощности и соответственно температура  двигателя. Если при этих условиях выбрать двигатель таким образом, чтобы его номинальная мощность была равна наибольшей мощности нагрузки, он будет недоиспользован по мощности. Очевидно также, что недопустимо выбирать номинальную мощность двигателя равной минимальной мощности нагрузки.

    Для обоснованного решения вопроса  выбора электродвигателя по мощности необходимо знать характер изменения  нагрузки двигателя во времени, т. е. зависимость от времени мощности, электромагнитного момента и  потерь двигателя. С этой целью для машин, работающих в циклическом режиме, обычно строится нагрузочная диаграмма, представляющая собой зависимость нагрузки электропривода от времени в течение рабочего цикла.

    Зависимость изменения нагрузки от времени позволяет  судить об изменениях потерь в электродвигателе, что в свою очередь дает возможность оценить температуру его отдельных частей при известном характере процесса их нагрева.

    Этот  подход позволяет выбрать двигатель  таким образом, чтобы максимальная температура изоляции обмоток не превышала допустимого значения. Это условие является одним из основных для обеспечения надежной работы электродвигателя в течение всего срока его эксплуатации.

    Второе  условие выбора двигателя заключается  в том, что его перегрузочная  способность должна быть достаточной для устойчивой работы электропривода в периоды максимальной нагрузки или аварийного снижения напряжения.

    Таким образом, для правильного выбора двигателя необходимо знать точную зависимость нагрузки от времени, на базе которой можно рассчитать потери в его отдельных частях. Затем необходимо провести подробный тепловой расчет с учетом в большинстве случаев переходных процессов (пуска, реверса, торможения, перехода от одной нагрузки к другой), на основании которого можно делать выводы по правильности выбора.

    Рассмотрим  метод косвенной оценки потери. Блок схема выбора мощности двигателя  по среднему моменту сопротивления  приведена на рис 1. методички по выполнению КР.

    Для расчета использовался пакет  прикладных программ МАТ КАД.