Расчет и экспериментальное исследование двигателя постоянного тока

Расчётно-экспериментальная работа № 8

Содержание

1. Краткие теоретические сведения

Назначение и принцип действиядвигателя.

Внешний вид и конструкциядвигателя.

Способы включения обмотки возбуждения

Основные характеристики двигателя.

2. Задание на расчет

3. Пример расчета двигателя

4. Контрольные вопросы

1. Краткие теоретические сведения

Назначение и принцип действиядвигателя. Двигатели постоянного тока до сих пор находят широкое применение, хотя они значительно дороже и менее надёжны, чем асинхронные и синхронные. Их широко используют в электротранспорте, для привода прокатных станов, металлорежущих станков и т. д. Двигатели небольшой мощности применяют во многих системах автоматики.

Преимущество ДПТ - возможность плавного и экономичного регулирования в широком диапазоне частоты вращения вала и создания боль­шого пускового момента при относительно небольшом пусковом токе.

НедостатокДПТ- наличие щёточно-коллекторного аппарата, который требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надежность машины.

Принцип действия двигателя иллюстрирует рис.1. Основные части двигателя: статор и ротор, рис.1 а). Статор (неподвижная часть) представляет собой полый стальной цилиндр, на котором установлен постоянный магнит с северным полюсом N сверху и южным полюсом S снизу. Внутри статора на валу размещен ротор (вращающаяся часть). Он представляет собой сплошной стальной цилиндр с пазами, внутри которых размещены витки обмотки. Концы каждого витка оформлены в виде медных полосок коллектора, закрепленного на валу. К полоскам подводится с помощью медно-графитовых щеток ток I от внешнего источника напряжения U. При протекании тока I виток поворачивается вместе с ротором по часовой стрелке под действием сил Ампера.

Рис.1 б) иллюстрирует силы Ампера и связанное с ними правило левой руки: если магнитные силовые линии В входят в ладонь сверху, а четыре пальца руки показывают направление тока I в проводе, то большой палец покажет направление действия силы Ампера f на провод. Под действием вращающего момента, обусловленного силами Ампера, ротор на валу начинает вращаться, его вращение передается рабочему механизму РМ с помощью ленточной или шестеренчатой передачи.

 

Рис.1. Принцип действия двигателя ПТ и правило левой руки

Конструкция и внешний вид двигателя. На рис. рис.2.а) показана конструкция двигателя (постоянный магнит заменен на электоромагнит), на рис. 2 б) – его внешний вид.

Рис. 2. Конструкция и внешний вид двигателя

Основными частями двигателя постоянного тока являются статор и якорь, отдалённые друг от друга воздушным зазором (0,3…0,5 мм), рис. 2, а).

Статор- это стальной ци­линдр 1, внутри которого крепятся главные по­люса 2 с полюсными наконечниками 3, образуя вместе с корпусом маг­нитопровод машины. На главных полюсах расположены после­до­вательно соединённые обмотки возбуждения 4 электромагнита, предназначенного для создания постоянного магнитного потока Ф_в машины. Концы И1 и И2 обмотки возбуждения (ОВ) выводят на клем­мный щиток, расположенный на корпусе машины.

Помимо основных полюсов внутри статора располагают дополнительные полюса 9 с обмотками 10, которые служат для уменьшения искрения в скользящих контактах (между щётками и кол­лек­тором).

Ротор- это цилиндр 5, набранный из лис­­­­тов электротехнической стали, снаружи которого имеются пазы, в которые уложена обмотка 11, рис. 2.а). Отводы обмотки якоря припа­ива­ют к пластинам коллектора 6, расположенного на вращающемся в подшипни­ках валу 7.

Коллектор представляет собой цилиндр, набранный из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала и закреплённых (по тех­но­логии "ласточкина хвоста") на стальной втулке.

Коллектор (в генераторном режиме) играет роль механического выпрямителя переменной ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря.

К коллектору с помощью пружин прижимаются неподвижные медно-графитовые щётки 8, соединённые с клеммами Я1 и Я2 щитка. Образовавшиеся скользящие контакты дают возможность соединить вращающу­юся обмотку якоря(ОЯ)с электрической цепью: снять выпрямленное напряжение с коллектора (генераторный режим) или соединить якорную обмотку с источником постоянного напряжения (двигательный режим)). Суммарное сопротивление цепи якоря R_я = 0,5…5 Ом.

Способы включения обмотки возбуждения. В зависимости от того, как обмотка возбуждения ОВ включена относительно сети и якоря, различают двигатели постоянного тока (ДПТ):

ДПТ независимого возбуждения, рис.3 а)

ДПТ с параллельного возбуждения рис.3 б),

ДПТ с последовательного возбуждения рис.3 в),

ДПТ с смешанного возбуждения рис.3 г).

На рис. 3 приведе­­ны электрические схемы возбуждения указанных типов ДПТ.

Рис.3. Способы включения обмотки возбуждения.

Основные параметры и характеристики двигателя.

Основными параметрами двигателя ПТ являются:

· n -частота вращения якоря, об/мин;

· - угловая частота вращения якоря, 2 60, рад/c

· М - средний электромагнитный момент (в Н×м), действующий на якорь ДПТ, по обмотке которого протекает ток I_я, где F_с - среднее значение силы в ньютонах (Н), действующей на якорь, d - диаметр якоря, м.

· Р_мех = М – механическая мощность на валу,

· Р₂ - полезная мощность на валу, передаваемая рабочей мащине, Р₂= Р_мех – Р_пот,, где Р_пот,-потери мощности, связанные с разогревом двигателя и трением в подшипниках.

· – коэффициент полезного действия, = Р₂/ Р₁, где Р₁-электрическая мощность, потребляемая от сети постоянного тока.

Основные характеристики двигателя:

Важнейшей характеристикой является механическая n(M), представляющая зависимость частоты вращения n ротора от развиваемого ДПТ мо­мен­та вращения М при условии постоянства напряжения и соп­ротив­лений в цепи якоря и в цепи воз­бу­ж­дения.

Зависимость М = f(I_я) называется моментной характеристикойдвигателя. При установившемся режиме работы двигателя электромагнитный момент вращения М связан с током якоря I_{я .}

Характеристика коэффициента по­лез­ного действия h = ¦(I_я) нара­стает очень быстро при росте нагрузки от нуля (режим холостого хода) до 0,5I_ян и достигает наибольшего значения в пределах от 0,5 до 0,8 номинальной нагрузки, а затем медленно падает вследствие роста потерь.

Электромеханические свойства ДПТ определяются его скоростной харак­терис­тикой n(I_я), представляющей зависимость частоты вращения n от тока якоря I_я при U = const и I_в = const.

Все основные характеристики представлены рис.4, где по осям приведены нормированные значения параметров, получаемые делением на эталон. В качестве эталона принято нормативное значение параметра.

Рис.4. Механическая характеристика, рис.4 а), и рабочие характеристики, рис. 4 б), двигателя

 

2. Задание на расчет

Рассчитать электромеханические показатели рабочего режима двигателя:

А. Определить номинальный вращающий момент М= Р_н / (=2n/60).

Б. Определить ток якоря I_я = U_н / R_я

В.Определить магнитный поток кФ= M / I_я , где к-конструктивный коэффициент

Г. Определить ток обмотки возбуждения I _ов = U_овн / R_ов

Д. Определить индуктивность обмотки возбуждения L _ов= кФ/ I _ов

Е. Определить проводимость механической нагрузки (коэффициент трения якоря) M/ (=2n/60)

Расчет вести по вариантам, исходя из следующих данных в таблице 1:

 

Таблица 1.Двигатели постоянного ток серии 2 ПН, длина сердечника якоря h=90 мм

N	Рн, кВт	Uн, В	n об/мин	n max об/мин	%	Rя, Ом	Rдоп Ом	R ов, Ом	Lя, мГн
	0,17				47,5	5,84	4,40
					48,5	27,2	16,2
	0,25					3.99	2,55		78,7
						15.47	11.2
	0,37				61,5	2,52	1,4 7
	0.4				61,5	10,61	6,66
	0,71				69,5		0,54
						3,99	2,55
					71,5	0, 6	0,35
					72,5	2,52	1.47

3. Пример расчета

Зададимся данными для расчета согласно таблице ниже

 

Рн, кВт	Uн, В	n об/мин	n max об/мин	%	Rя, Ом	Rдоп Ом	R ов, Ом	Lя, мГн
0,17

Проводим расчет:

А. Определяем номинальный вращающий момент М= Р_н / (=2n/60).

=2n/60=78,5 рад/с М= Р_н / =0,5 170/78/5=1,08 Н м.

Б. Определим ток якоря I_я = U_н / R_я=120/10=12 A

В.Определим магнитный поток кФ= M / I_я = 1,08/ 12=0,09, где к - конструктивный коэффициент

Г. Определить ток обмотки возбуждения I _ов = U_овн / R_ов=120/160=0,75 А

Д. Определим индуктивность обмотки возбуждения. Произведение к L _ов определим из условияк L _ов= = =0,12

Примем к =0,03, тогда L _ов= 0,12/ 0.03=4 Гн

Е. Определим проводимость механической нагрузки (в качестве неё примем коэффициент трения вала якоря): M/= 1,08/78,5=0,014 Н м /рад

Расчет окончен

 

Для проверки соберем в программе EWB схему испытания двигателя постоянного тока согласно рис. 5. Электронная модель двигателя представлена двумя центральными элементами схемы: первый элемент определяет обмотку возбуждения, второй – ротор двигателя. Их можно найти в поле компонентов программы, щелкнув по пиктограмме М.

Рис. 5. Схема испытания двигателя постоянного тока в программе EWB

Щелкнув двойным щелчком мышки по изображению двигателя и используя команду Edit, можнооткрыть его диалоговое окно, показанное на рис. 6.

Рис. 6 Диалоговое окно двигателя постоянного тока в программе EWB

В этом окне используются поля:

R_a – Сопротивление ротора в Омах,

L_a- Индуктивность ротора в Генри ,Гн

R_f - Сопротивление полевой обмотки в Омах,

L_f - Индуктивность полевой обмотки в генри ,Гн

B_f - Трение вала в Н•м•с/рад, N m*s/rad

J - Инерция вращения машины в Н•м•с²/рад, N*m*s²/rad

n_n- Номинальная скорость вращения , в оборотах в минуту, PRM

V_an - Номинальная напряжение ротора в Вольтах,V

I_an- Номинальный ток ротора в Aмперах, А

V_fn - Номинальная напряжение на полевой обмотке в Вольтах,V

Следует установить в открывшемся окне Sheet 1 электромеханические показатели рабочего режима двигателя, рассчитанные ранее. Затем следует открыть последнее окно Sheet 2 и в установить значение вращающего момента вращающий момент М в N*m.

При запуске схемы в работу будем иметь показания приборов, показанные на рис.7.

 

Рис. 7. Экспериментальное испытание двигателя, собранного в соответствии с расчетом.

 

Показания вольтметра определяют на скорость вращения n, выраженную в об/мин.

Из рисунка видно, что показания приборов в основном подтверждают расчет. При желании, можно снять механическую и рабочие характеристики двигателя, работая с реостатами R и А схемы. Значения вращающего момента будут определяться по показаниям амперметров условием: М= 0,12 .

Для облегчения понимания механических параметров в Приложении 1 приведем электромеханические аналогии.

Приложение 1. Электромеханические аналогии

Электрический аналог	Механический аналог
Ток, [I]=А.	Вращающий момент, [M]= Н*м.
Напряжение, [U]=В.	Угловая скорость вращения, []=рад/c
Мощность, [U* I]=Вт.	Мощность на валу, [М*]=Вт.
Проводимость, [G]= Cм.	Коэффициент трения вала [В=М/ ]= Н* м*с/рад
Емкость, [С]= Ф.	Инерция вращения ротора, [J] = Н*м*с2/рад

 

4. Контрольные вопросы

1. Укажите, как осуществить реверс(обратное вращение) ДПТ параллельного возбуждения?

А. Изменить полярность напряжения, подводимого к цепи якоря.

Б. Одновременно изменить полярность напряжения, подводимого к цепи якоря и к цепи возбуждения.

В. Изменить направление тока в обмотке возбуждения.

Г. Сместить положение щеток с геометрической нейтрали ДПТ.

2. Укажите, как изменяется вращающий моментДПТ с изменением питающего напряжения U?

А. Момент ДПТ не зависит от колебаний напряжения U сети.

Б. Момент ДПТ изменяется пропорционально изменению напряжения U.

В. Момент ДПТ изменяется пропорционально изменению напряжения U².

Г. Момент ДПТ изменится пропорционально корню квадратному из U.

3. Укажите, как изменится частота вращения ротораДПТ двигателя приувеличении тока возбуждения?

А. Увеличится. Б. Не изменится. В. Уменьшится.

4. Укажите, с какой целью последовательно с цепью якоря ДПТ включают сериеснуюобмотку возбуждения?

А. Для уменьшения пускового тока двигателя.

Б. Для уменьшения искрения в скользящих контактах коллектор-щётки.

В. Для получения большей жесткости механической характеристики ДПТ.

Г. Для ослабления реакции якоря.

5. Укажите, при каком коэффициенте нагрузки b = P₂/P_2н КПД ДПТ будет максимальным?

А. При b = 0. Б. При b = 1. В. При b = 0,2 …0,3. Г. При b = 0,7…0,8.