ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
1. Рассчитайте электроемкость конденсатора для каждого измерения по формуле (4.18) приняв частоту переменного тока равной v =50Гц
2. Определите среднее значение полученной емкости
3. Вычислите относительную погрешность измерений
4. Сделаете вывод о проделанной работе.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие устройства называются конденсаторами?
2. Как вычисляется электроемкость конденсатора? В чем заключаетсяпреимущество конденсаторов перед уединенными проводниками?
3. Как вычисляется электроемкость плоского конденсатора?
4. Как вычисляется электроемкость сферического конденсатора?
5. Сформулируйте законы последовательного, параллельного.
6. Какими законами описывается переменный ток, текущий через конденсатор?
7. Какими законами описывается переменный ток, текущий в цепи с активным и реактивными сопротивлениями?
ЛИТЕРАТУРА [1, c.198-202], [2, c.91-98], [3, c.136-140], [4, c.87-96]
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.5
ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Цель работы: ознакомление с конструкцией двигателя постоянного тока, приобретение навыков экспериментального определения его характеристик.
Материалы и оборудование: лабораторная установка, источник постоянного тока, вольтметр, амперметр, магазин сопротивлений.
Практическое значение: двигатели постоянного тока используютсядля привода механизмов, требующих больших пусковых моментов, широкого и плавного регулирования частоты вращения (транспорт, подъемные устройства, станки).
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Машина постоянного тока функционально является обращённой синхронной машиной, т.е. синхронной машиной у которой функции статора и ротора поменялись местами. Статор возбуждает постоянное магнитное поле, а ротор вращается в этом поле и осуществляет преобразование энергии. Для создания машиной постоянного вращающего момента требуется, чтобы электромагнитная сила, создающая этот момент, была постоянной, что, в свою очередь, требует сохранения направления протекания тока по отношению к полюсам магнитного поля. Во вращающемся роторе функцию изменения направления тока при перемещении проводников обмотки к противоположному полюсу выполняет щёточно-коллекторный узел. На рис. 5.1 показан простейший двигатель постоянного тока. Он представляет собой проводник, изогнутый в виде рамки и подвешенный на оси OO′. Концы рамки abcd через полукольца и скользящие по ним щётки подключены к внешнему источнику постоянного ток. Взаимодействие протекающего в рамке тока Iяс магнитным полем создаёт электромагнитную силу F, действующую на рамку и вызывающую её вращение. Для сохранения направления действия этой силы ток в части рамки находящейся под северным полюсом должен протекать в направлении O-O′, а в находящейся под южным полюсом части рамки – в направлении O′-O. Поэтому через каждые пол оборота ротора ток в сторонах ab и cd рамки должен менять направление на противоположное. Это происходит при переходе полуколец с одной щётки на другую. Полукольца рамки являются простейшим коллектором машины постоянного тока и вместе со щётками выполняют функцию преобразования постоянного тока в переменный с частотой вращения ротора.
Ротор машины постоянного тока называется якорем. Его конструкция является развитием рамки и полуколец. Чтобы увеличить вращающий момент нужно увеличить количество «рамок» и заполнить ферромагнетиком воздушный промежуток между полюсами статора. Для этого из штампованных листов электротехнической стали собирается пакет якоря (рис. 5.2, а). Полукольца примитивного коллектора преобразуются в набор изолированных друг от друга медных пластин 1 залитых в пластмассовую втулку 2 (рис. 5.2, б). Пакет ротора и коллектор напрессовываются на вал якоря и в открытые пазы пакета укладывается обмотка (на рисунке не показана), концы секций (катушек), которой припаиваются к пластинам коллектора.
Общая конструктивная схема машины постоянного тока показана на рис. 5.3. Она состоит из корпуса 1, объединяющего все элементы конструкции и являющегося также магнито-проводом. В подшипниках корпуса установлен якорь машины 2 и щёточно-коллекторный узел 3, 4. В корпусе также установлены главные полюсы 5, распределяющие основной магнитный поток машины, возбуждаемый установленной на полюсах обмоткой 6. На геометрической оси щёток машины установлены дополнительные полюсы 7 с обмоткой 8, возбуждающей их магнитное поле.
Обмотка возбуждения машины 6 и обмотка якоря с последовательно включённой обмоткой дополнительных полюсов 8 образуют две электрические цепи, которые могут питаться от одного или от разных источников постоянного тока. По схеме питания этих цепей машины постоянного тока разделяют на машины с независимым (раздельным), параллельным, последовательным и смешанным возбуждением (рис. 5.4, а, б, в и г). К машинам с независимым возбуждениям относятся также машины с магнитоэлектрическим возбуждением, т.е. с возбуждением основного магнитного потока с помощью постоянных магнитов (рис. 5.4, д).
При включении двигателя в сеть постоянного тока в обеих обмотках возникают токи. При этом в обмотке возбуждения ток возбуждения IВ создает магнитное поле индуктора. Взаимодействие тока якоря с магнитным полем индуктора создает вращающий момент двигателя МВР.
(5.1)
где с – постоянный коэффициент; IЯ – ток якоря; Ф – магнитный поток.
В проводниках вращающего якоря индуктируется ЭДС:
(5.2)
где n – скорость вращения якоря.
Эта ЭДС (противо-ЭДС) направлена противоположно напряжению сети, которая уравновешивается противо-ЭДС якоря и падением напряжения на его внутреннем сопротивлении
(5.3)
Это состояние называется уравнением электрического равновесия двигателя. Из (5.3) ток в цепи якоря равен:
(5.4)
Приведенное уравнение дает возможность объяснить принцип саморегулирования электрических двигателей. При работе двигателя в установившемся режиме момент вращения МВР равен тормозному моменту МТОР.
(5.5)
Предположим, что нагрузка двигателя (тормозной момент МТОР) увеличилась. При этом скорость вращения двигателя несколько уменьшится, что приведет к уменьшению противо-ЭДС(5.2). В результате этого ток якоря увеличится согласно (5.4), а, следовательно, возрастет и вращающийся момент (5.1). Это увеличение момента будет происходить до тех пор, пока снова не наступит равновесие моментов: МТОР = МВР при несколько меньшей скорости. В случае уменьшения нагрузки изменение режима двигателя будет происходить в обратном направлении, и равенство моментов наступит при несколько большей скорости. Роль регулятора, устанавливающего соответствие между полезной механической мощностью и потребляемой электрической мощностью, выполняет противо-ЭДС Е.
При пуске двигателя якорь в первый момент неподвижен (n = 0) и учитывая (5.2) ЭДС якоря Е = 0. При этом согласно (5.4) пусковой ток якоря IЯПнедопустимо велик, т.к. RЯмало и определяется как:
. (5.6)
Поэтому для ограничения пускового тока последовательно в цепь якоря вводится сопротивление пускового реостата RП, который полностью введен перед запуском двигателя и выводится после разгона двигателя по мере возрастания противо- ЭДС (Е).
(5.7)
Такой запуск двигателя предохраняет его якорную обмотку от больших пусковых токов IЯПи позволяет получить в этом режиме максимальный магнитный поток.
Изменение направления вращения двигателя может быть достигнуто изменением тока или в обмотке якоря, или в обмотке возбуждения, т.к, при этом меняется знак вращающего момента. Одновременное изменение направления тока в обоих обмотках направление вращения двигателя не изменяет. Переключение концов обмоток должно производиться только после полной остановки двигателя.
При совместном решении (5.2) и (5.3) определяется скорость вращения двигателя:
(5.8)
Из формулы (5.8) видно, что регулировать скорость вращения двигателя постоянного тока можно изменением напряжения сети, магнитного потока возбуждения и сопротивления цепи якоря. Наиболее распространенный способ регулирования скорости вращения двигателя - изменение магнитного потока посредством регулировочного реостата в цепи возбуждения.
Уменьшение тока возбуждения ослабляет магнитный поток и увеличивает скорость вращения электродвигателя.
Этот способ экономичен, т.к. ток возбуждения (в двигателях параллельного возбуждения) составляет 3-5% от IН якоря, и тепловые потери в регулировочном реостате весьма малы.
Характеристика холостого хода: (рис.5.5)
n0 = ƒ (IВ), при U = UН = const и IЯ = I0,
где n0- скорость вращения на холостом ходу (без нагрузки), I0 – ток холостого хода составляющий 5 – 10% IН.
Учитывая, что RЯ мало, то из (5.8) скорость двигателя определяется обратной зависимостью к магнитному потоку Ф:
(5.9)
При увеличении тока в обмотке возбуждения магнитный поток изменяется по кривой намагничивания Ф = ƒ(IВ), поэтому зависимость между скоростью вращения двигателя n и током возбуждения IВ имеет почти гиперболический характер. При малых значениях тока возбуждения обороты меняются почти обратно пропорционально. При больших токах возбуждения начинает сказываться магнитное насыщение стали полюсов, и кривая становится более пологой и идет почти параллельно оси абсцисс. Резкое изменение – уменьшение тока возбуждения, а также случайный обрыв цепи возбуждения согласно (5.9) могут вызвать «разнос» двигателя (при IВ → 0, а следовательно Ф также стремится к 0, n → ∞).