11494

Исследование механических характеристик электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением

Лабораторная работа

Физика

Целью работы является исследование механических характеристик двигателя постоянного тока с независимым возбуждением в двигательном и тормозных режимах. Основные сведения Под механической характеристикой электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждени...

Русский

2013-04-08

329.5 KB

119 чел.

Целью работы является исследование механических характеристик двигателя постоянного тока с независимым возбуждением в двигательном и тормозных режимах.

Основные сведения

Под механической характеристикой электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением понимается зависимость угловой скорости вращения его вала от электромагнитного момента, т.е.  = f(М).

Механические характеристики подразделяются на естественные и искусственные.

Естественной механической характеристикой называют характеристику электродвигателя, полученную при номинальном напряжении на его зажимах, нормальной схеме включения обмоток и отсутствии внешних резисторов в их цепях.

Искусственной механической характеристикой называют характеристику, полученную при условии питания двигателя от сети с напряжением, отличным от номинального, или же при включении в цепь его якоря или в цепь обмотки возбуждения внешних резисторов, а также в случае включения электродвигателя по специальной схеме.

Механические характеристики электродвигателя характеризуются относительным изменением его скорости при изменении момента нагрузки.

,

где 0 - угловая скорость при идеальном холостом ходе;

       - угловая скорость при заданной нагрузке.

Механические характеристики в двигательном режиме

Аналитическое выражение механической характеристики электродвигателя с независимым возбуждением  = f(М) можно получить из совместного решения уравнения электрического равновесия напряжения на зажимах якоря, а также уравнений вращающего момента и противо-ЭДС электродвигателя:

U=E+IR     (1) ;                        M=КФI       (2);                    E=KФw   (3),

где   U – напряжение, приложенное к зажимам якоря;

Е – противо-ЭДС электродвигателя;

K – коэффициент, зависящий от конструктивных данных  электродвигателя;

– угловая скорость двигателя;

М - электромагнитный момент, развиваемый двигателем;

Ф - магнитный поток;

I - ток якоря;

R - суммарное сопротивление якорной цепи.

Уравнение механической характеристики электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением получим после совместного решения уравнений (1) (3):

,                                              (4)

или           ,                                                         (5)

где           С=KФ .                                                                       (6)

Числовое значение С может быть определено из уравнения (1), записанного для номинального режима работы:

,                                         (7)

где UH , IH ,H  - номинальные значения напряжения, тока и сопротивления якоря и угловой скорости электродвигателя.

Рис.1                                                 Рис. 2

Анализ уравнения (4) показывает: во-первых, механическая характеристика электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением является линейной характеристикой; во-вторых, с уменьшением момента на валу электродвигателя до нуля его угловая скорость стремится к скорости идеального холостого хода; в-третьих, с увеличением сопротивления резистора в цепи якоря жесткость механических характеристик уменьшается (рис.1); в-четвертых, с ослаблением магнитного потока электродвигателя, что достигается уменьшением тока возбуждения, скорость его идеального холостого хода возрастает и полученная при этом механическая характеристика обладает меньшей жесткостью по сравнению с естественной характеристикой (рис.2).

     

Механические характеристики в тормозных режимах

Для двигателя постоянного тока с независимым возбуждением возможны следующие тормозные режимы работы:

1) электродинамическое торможение;

2) торможение противовключением;

3) генераторное торможение с отдачей энергии в сеть (рекуперативное торможение).

Режим электродинамического торможения  

Режимом электродинамического торможения называют такой режим работы электродвигателя, при котором его якорь отключается от питающей сети и замыкается на внешний резистор RT, а обмотка возбуждения остается подключенной к сети. В этом режиме двигатель работает в режиме генератора с независимым возбуждением (рис.3), преобразуя кинетическую энергию движущихся инерционных масс привода в электрическую, которая расходуется на нагрев резисторов в якорной цепи.

Уравнение механической характеристики в режиме динамического торможения можно получить из (4), полагая в нем напряжение сети равным нулю, U=0 :

,                      (8)

где R=RЯ+RT.

Из уравнения (8) видно, что механические характеристики в режиме динамического торможения расположены во втором квадранте и представляют прямые линии, проходящие через начало координат.

     

             Рис. 3                                       Рис. 4

Тормозной момент возрастает с уменьшением сопротивления тормозного резистора и наоборот (рис.4). Наибольшего тормозного эффекта можно достигнуть при замыкании якоря двигателя накоротко. По условиям ограничения тормозного тока замыкание якоря накоротко применяется только для двигателей малой мощности, обладающих сравнительно большим сопротивлением якоря, а также для всех остальных электродвигателей при торможении на малых скоростях.

Электродинамическое торможение может быть использовано при тормозном спуске груза. В этом случае установившийся режим спуска будет иметь место при скорости, определяемой точкой А (рис.4).

Режим торможения противовключением

Режимом торможения противовключением называется такой режим работы, когда при вращении электродвигателя под действием инерционных масс привода в электродвигатель из сети поступает ток такого направления, которое соответствует вращению его в противоположную сторону.

Переход из двигательного режима в режим торможения противовключением можно осуществить изменением полярности напряжения на зажимах якоря.

При изменении полярности напряжения (рис.5) необходимо в цепь якоря двигателя ввести внешний тормозной резистор, с тем чтобы ток в нем, обусловленный суммой напряжения в сети и ЭДС электродвигателя, не превысил допустимого значения.

Уравнение механической характеристики для данного режима получается из (4) при смене знака перед напряжением:

.                                    (9)

Анализ уравнения (9) показывает, что механические характеристики в режиме торможения противовключением линейны и расположены во втором квадранте (рис.6). С уменьшением сопротивления тормозного резистора тормозной момент возрастает и наоборот.

 

  Рис. 5           Рис.6

Режим торможения противовключением может быть получен без изменения  полярности напряжения на якоре двигателя при наличии   активного статического момента на его валу за счет введения в цепь якоря резистора RT с достаточно большим  сопротивлением. Точка установившегося режима при этом находится в четвертом квадранте (точка А, рис.6) и привод работает в режиме тормозного спуска.

Режим рекуперативного торможения

Режимом рекуперативного торможения называют такой режим, когда электродвигатель при определенных режимах работы привода, в силу своей обратимости, становится генератором, преобразуя кинетическую энергию движущихся масс механизма в электрическую с отдачей ее в питающую сеть.

Переход электродвигателя в генераторный режим с отдачей энергии в сеть возможен при скорости привода, превышающей скорость соответствующего идеального холостого хода. При этом ЭДС двигателя, направленная встречно с напряжением сети, становится больше его и ток в якоре электродвигателя меняет направление на обратное. Практически режим рекуперативного торможения может быть осуществлен:

1) при наличии отрицательного статического момента нагрузки, когда электродвигатель под его действием в сторону вращения, получив ускорение, достигает скорости, превышающей скорость идеального холостого хода (рис.7);

2) при переходе электродвигателя с большей скорости, полученной ослаблением потока двигателя, на меньшую за счет резкого увеличения магнитного потока (участок w2w0 характеристики 1 на рис.8).

Уравнение механической характеристики для данного режима можно получить из (4), полагая в нем  М = -МТ :

.                                  (10)

Из уравнения (10) следует, что механические характеристики в данном режиме при различных сопротивлениях резисторов в якорной цепи электродвигателя являются продолжением характеристик двигательного режима в области второго квадранта (рис.7). С увеличением скорости  при неизменном R величина тормозного момента возрастает. Увеличение сопротивления внешнего резистора в цепи якоря при неизменном отрицательном статическом моменте на валу электродвигателя приводит к увеличению скорости вращения привода.

Рис. 7                                              Рис. 8

Переход из двигательного режима в режим рекуперации при резком увеличении потока возбуждения двигателя приведен на рис.8.

Программа работы

1. Ознакомиться с электрооборудованием установки (см. рис. 9).

2. Рассчитать величины сопротивлений тормозных резисторов для режимов динамического торможения и торможения противовключением при I/IH=2 и I/IH=2,5.

3. Снять и построить механические характеристики электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением:

а) естественную;

б) искусственные при добавочных резисторах в цепи якоря электродвигателя сопротивлением R1=5 Ом и R2=10 Ом;

в) искусственные при токах возбуждения IВ=0,9IВH и IВ=0,7IВH;

4. Снять характеристики электродвигателя:

а) для режима динамического торможения и торможения противовключением при сопротивлениях тормозных резисторов, рассчитанных в п.2;

б) для режима рекуперативного торможения при добавочных резисторах в цепи якоря электродвигателя сопротивлением R1=0 и R2=5 Ом.

5. По характеристикам  = f(t) и IЯ = f(t) рассчитать и построить механические характеристики (М) для всех тормозных режимов.

6. По аналитическим формулам рассчитать и построить естественную и искусственную механические характеристики  = f(М) при U=UH и RЯ=5 Ом.

паспортные данные исследуемого двигателя

Тип

РН, кВт

UH, В

IH, А

RЯ, Ом

nH, об/мин

П22

1,0

220

5,9

4,17

1500

Указания к выполнению работы

1. До начала проведения исследований сопротивления тормозных резисторов рассчитываются по уравнениям :

- для режима динамического торможения

;                                                   (11)

- для режима противовключения

,                                             (12)

где RН=UH/IH - номинальное сопротивление двигателя ; 0=UH/K.

2. При снятии скоростных характеристик  = f(I) в двигательном режиме достаточно получить 3-4 точки.

3. Скоростные характеристики двигателя в тормозных режимах рассчитываются по диаграммам зависимостей  = f(t) и IЯ = f(t), полученным с использованием осциллографа.

Рис.9. Схема электрическая принципиальная лабораторной установки

При снятии характеристик  = f(t) и IЯ = f(t) в тормозных режимах необходимо включить исследуемый двигатель, довести его скорость вращения до номинального значения, установить требуемое тормозное сопротивление, а для режима рекуперативного торможения ослаблением потока возбуждения двигателя довести его скорость вращения до 2000 об/мин, включить осциллограф и нажать одну из кнопок "ДТ", "ПВ" или "РТ", в зависимости от режима работы на время протекания переходного процесса.

Для перехода от скоростных характеристик к механическим связь между током и моментом определяется из уравнения (2). При токе возбуждения двигателя, отличном от номинального значения, следует определить новое значение , где С - значение коэффициента двигателя, определяемого из уравнения (6).

Кривая намагничивания исследуемого электродвигателя приведена на рис. 10.

Рис. 10. Кривая намагничивания

Контрольные вопросы

 1. Понятие о естественной и искусственных характеристиках электродвигателя постоянного тока.

2. Уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением и его анализ.

3. Порядок расчета и построения механических характеристик двигателя постоянного тока при различных режимах его работы.

4. Тормозные режимы двигателя постоянного тока с независимым возбуждением. Сравнительная оценка тормозных режимов. Уравнения и графики механических характеристик двигателя в тормозных режимах при активном и реактивном моментах нагрузки на его валу.

5. Элементы лабораторной установки, их характеристики и порядок проведения исследований.

Рекомендуемая литература

1. Основы автоматизированного электропривода. - М.: Энергия, 1974.

2. Чиликин М.Г. Общий курс электропривода. - М.: Энергия,1971.     

3. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода: Учебник

PAGE  9


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

69317. ОБЧИСЛЮВАЛЬНИЙ ЕКСПЕРИМЕНТ ТА ЙОГО ЕТАПИ 308 KB
  В результаті розміри і складність математичних моделей істотно зростають а їх розв’язок в аналітичному вигляді стає неможливим. розв’язок системи лінійних в загальному випадку лінеаризованих рівнянь; 2. розв’язок нелінійних алгебраїчних рівнянь...
69318. Розв’язування СЛАР на основі LU-розладу матриці 542 KB
  До цієї задачі належать задачі обчислення визначників і обчислення елементів оберненої матриці. Іноді обчислення визначників і елементів оберненої матриці називають другою і третьою основними задачами лінійної алгебри. 2 заснований на використанні оберненої матриці...
69319. Аналіз похибок розв’язування СЛАР 336 KB
  Аналіз похибок через число обумовленості матриці Нехай обчислене значення x помилка розв’язку ε = b відхил або нев’язка розв’язку системи рівнянь x = b. Нев’язка може бути малим а помилка розв’язку великою. 52 cond = 1 число обумовленості матриці що дорівнює максимально...
69320. Ітераційні методи розв’язування СЛАР 307.5 KB
  Метод простої ітерації умови збіжності Для розріджених великих систем рівнянь досить добрі результати можна отримати як це було показано в попередньому параграфі застосуванням методу визначальних величин.
69321. Властивості власних значень і власних векторів матриці 115 KB
  Метод характеристичного рівняння матриці Коли на деякий вектор х діє матриця А то в загальному випадку отримується новий вектор у = Ах який відрізняється від вектора х як своїм модулем розміром так і орієнтацією в багатовимірному просторі.
69322. Степеневий метод обчислення власних значень 149.5 KB
  Для оцінки окремих власних значень матриці можна використовувати теорему Гершгоріна яка стверджує що матриця А порядку nxn має n власних значень кожне з яких лежить в межах круга: 4. Якщо λ власне значення матриці то завжди можна вибрати відповідний йому...
69323. Власні значення симетричних матриць 174 KB
  Остаточно маємо формули алгоритму Ланцош довільний нормований вектор; При цьому вважається, що Якщо то було випадково взято ортогональним одному з власних векторів. Тоді Т розпадається на дві тридіагональної матриці; характеристичний поліном – на добуток двох поліномів...
69324. LR-та QR-алгоритми обчислення власних значень 325.5 KB
  Цей метод базується на перетворенні подібності матриці А таким чином щоб власні значення матриці отриманої внаслідок перетворення знаходилися простіше чим для початкової матриці. Найбільш просто обчислювати власні значення трикутної матриці для якої...
69325. Інтерполяція алгебраїчними поліномами. Інтерполяційні поліноми Лагранжа та Ньютона 213 KB
  Таку заміну називають наближенням функції fx. Тоді при вирішенні задачі замість функції fx оперують з функцією φx а задача побудови функції φx називається задачею наближення. Такий спосіб наближення базується на теоремі Вейерштраса про наближення неперервної функції...