20915

Исследование двигателей постоянного тока

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Оборудование измерительные приборы и инструменты: лабораторная установка источники постоянного тока вольтметр амперметр тахометр магазин сопротивлений. В настоящее время в качестве исполнительных двигателей наиболее часто используются: двухфазные асинхронные двигатели с повышенным сопротивлением ротора; двигатели постоянного тока с независимым возбуждением или постоянными магнитами; 3 синхронные – шаговые двигатели. В настоящей работе исследуется двигатель постоянного тока ДПТ.

Русский

2013-08-01

578.5 KB

56 чел.

Двигатели постоянного тока  8

Лабораторная работа №1

Исследование двигателей постоянного тока

Цель работы: ознакомление с конструкциями двигателей постоянного тока (ДПТ), приобретение навыков экспериментального определения их характеристик.

Оборудование, измерительные приборы и инструменты: лабораторная установка, источники постоянного тока, вольтметр, амперметр, тахометр, магазин сопротивлений.

1. Основные теоретические сведения

По назначению электродвигатели автоматических систем делятся на силовые и исполнительные (управляемые).

Особенностью исполнительных двигателей (ИД), работающих обычно в следящих системах, является то, что они практически никогда не работают в номинальном режиме – при номинальной скорости вращения. Для их работы, в отличие от силовых двигателей, характерны частые пуски, остановки, реверсы. С целью сокращения времени переходных процессов, в которых почти постоянно находятся исполнительные двигатели, их стремятся выполнить малоинерционными.

В настоящее время в качестве исполнительных двигателей наиболее часто используются:

  1.  двухфазные асинхронные двигатели с повышенным сопротивлением ротора;
  2.  двигатели постоянного тока с независимым возбуждением или постоянными магнитами;

3) синхронные – шаговые двигатели.

В некоторых случаях в мощных следящих системах используются трехфазные асинхронные исполнительные двигатели.

Характер требований, предъявляемых к ИД, определяется спецификой их работы в следящих системах. Такие требования, как максимум полезной мощности, высокий коэффициент полезного действия, которые являются основными для силовых двигателей, у исполнительных двигателей смещаются на второй план.

К ним предъявляются следующие основные требования:

-отсутствие самохода, то есть отсутствие вращения ротора после снятия сигнала с обмотки управления;

-широкий диапазон регулирования скорости вращения;

-устойчивость работы во всем диапазоне скоростей;

-линейность механических и регулировочных характеристик;

-высокое быстродействие;

-малая мощность управления;

-малое напряжение трогания;

-сохранение характеристик при изменении в достаточно широком диапазоне температуры, давления, влажности;

-неизменность характеристик при любом пространственном положении двигателя;

-отсутствие радиопомех;

-малые габариты и масса;

-высокая надежность.

Необходимость строгого выполнения тех или иных требований определяется назначением и областью применения конкретного ИД.

ИД имеют, как правило, две обмотки – возбуждения и управления. Первая постоянно подключена к источнику питания, а на обмотку управления через усилитель подается управляющий электрический сигнал.

В настоящей работе исследуется двигатель постоянного тока (ДПТ).

В зависимости от способа создания потока возбуждения (электромагнитом или постоянным магнитом), различают двигатели с электромагнитным возбуждением и двигатели с магнитоэлектрическим возбуждением. Схемы их включения приведены на рис.1 а, б.

К положительным качествам исполнительных двигателей постоянного тока относятся следующие:

-возможность получения (теоретически) любых, сколь угодно малых и больших скоростей вращения;

-возможность просто, плавно, экономично и в широком диапазоне регулировать скорость вращения;

-устойчивость работы практически при любых скоростях вращения;

-линейность механических и регулировочных характеристик;

-отсутствие самохода;

-значительный пусковой момент;

-малые габариты и масса – значительно меньшие, чем у исполнительных двигателей переменного тока;

-сравнительно небольшая электромеханическая постоянная времени.

Основным недостатком наиболее распространенных коллекторных исполнительных двигателей постоянного тока, ограничивающих их использование, является наличие у них скользящих контактов – коллектора и щеток, резко снижающих надежность двигателя, ресурс его работы и вызывающих появление радиопомех. Кроме того, управление двигателями на постоянном токе из-за сложностей усилителя постоянного тока всегда было более трудным, чем управление двигателями на переменном токе.

Для элементов двигателей постоянного тока обычно используется следующая терминология: часть машины, предназначенная для создания постоянного поля возбуждения, называется индуктором, а часть ДПТ, по которой протекают коммутируемые токи – якорем.

По конструкции якоря коллекторные исполнительные двигатели можно разделить на двигатели с якорем обычного исполнения (барабанным) – с полуоткрытыми пазами на его цилиндрической поверхности; двигатели с гладким якорем, у которых якорная обмотка расположена непосредственно на шихтованном гладком цилиндрическом якоре и укреплена на нем с помощью клея; двигатели с малоинерционными якорями (цилиндрическими полыми и дисковыми), у которых при их работе вращается лишь обмотка якоря с коллектором, а ярмо якоря остается неподвижным.

На рис 2 изображена схема конструкции электрической машины постоянного тока с барабанным якорем.

К круглой станине 1 (корпусу) крепят два подшипниковых щита 8 и полюса 5; внутри корпуса помещается якорь 2, закрепленный на оси 4, которая вращается в подшипниках 9, установленных в щитах; напряжение на якорь подается через щетки 7 и коллектор 6. Якорь имеет по образующей пазы, в которые укладываются проводники 3, соединенные соответствующим образом с коллектором 6. На статоре изображенной на рисунке машины расположена так называемая сосредоточенная обмотка.

Кроме коллекторных (контактных) исполнительных двигателей постоянного тока в настоящее время широко используются бессколекторные двигатели постоянного тока, у которых механический коллектор заменен электронным коммутатором с датчиком положения ротора.

Управление двигателями постоянного тока может быть осуществлено тремя способами:

а) изменением напряжения на якоре (якорное управление);

б) изменением потока возбуждения (полюсное управление);

в) изменением сопротивления регулировочного реостата в цепи якоря.

В двигателях с магнитоэлектрическим возбуждением есть только одна обмотка – якорная. Эти двигатели работают в системах по схеме якорного управления.

Чтобы вид характеристики не зависел от номинальной мощности и конструктивных особенностей двигателей, удобно пользоваться относительными (безразмерными) единицами.

Напряжением управления в относительных единицах (коэффициентом сигнала) будем называть отношение напряжения управления UУ, подаваемое в якорь, к напряжению возбуждения UВ  (для двигателей с электромагнитным возбуждением): =UУ/UВ. Для двигателей с магнитоэлектрическим возбуждением =UУ/UНОМ, где  - номинальное напряжение.

Моментом двигателя в относительных единицах будем называть отношение электромагнитного момента двигателя  к пусковому моменту двигателя МК0 (при неподвижном роторе) при =1, принятому за единичный момент:

m=М/МК0.

За единицу скорости в относительных единицах примем скорость холостого хода 0, то есть скорость ненагруженного двигателя при  =1. Скорость вращения якоря в относительных единицах будет = /0.

Скорость холостого хода является величиной постоянной и вполне определенной для каждого двигателя.

Учитывая все вышеизложенное, уравнение механической характеристики в безразмерной форме имеет вид

   m=,      (1)

а уравнение регулировочной характеристики

   m.      (2)

Из уравнения (1) видно, что вращающий момент исполнительного двигателя с якорным управлением является линейной функцией скорости вращения и коэффициента сигнала.

На рис. 3 изображено семейство механических характеристик исполнительного двигателя с якорным управлением  М/МК0=f(о). Максимальный (пусковой) момент двигателя в относительных единицах равен коэффициенту сигнала М/МК0=UУ/UВ, так как при этом =0. Следовательно, пусковой момент пропорционален напряжению управления. При уменьшении напряжения управления UУ механические характеристики двигателя смещаются параллельно самим себе в сторону меньших скоростей и моментов. Жесткость (наклон) характеристик при этом не меняется.

Регулировочные характеристики исполнительного двигателя с якорным управлением (см. выражение (2)) также имеет линейный характер и скорость вращения пропорциональна напряжению управления. При идеальном холостом ходе характеристика проходит через начало координат.

Двигатель, имеющий нагрузку на валу, начнет вращаться только после того, как напряжение управления превысит напряжение трогания UТР, при этом момент двигателя будет равен моменту нагрузки МН.

Регулировочные характеристики двигателя постоянного тока с якорным управлением представлены на рис. 4.

В пределах от UУ=0 до UУ=UТР будет находиться зона нечувствительности. Для микродвигателей величина напряжения трогания может достигать 5% от номинального.

Линейность механических и регулировочных характеристик исполнительных двигателей постоянного тока с якорным управлением является ценным качеством этих двигателей. Следует отметить, что этим свойством не обладает больше ни один двигатель ни при каких способах управления.

Мощность управления

РУ=UУIУ=UВ=,

где  - активное сопротивление якорной обмотки.

Из-за сравнительно малого сопротивления якорной обмотки мощность управления может быть достаточно большой.

Приняв за единичную мощность управления при коротком замыкании (=0) и =1, то есть РУк=UВ2/RЯ, мощность управления в относительных единицах

   ру=().      (3)

График полученной зависимости представлен на рис. 5,а.

Эта мощность является почти всей мощностью, потребляемой двигателем, за исключением мощности возбуждения  РВ=IВ2RЯ=UВ2/RЯ  (для двигателей с электромагнитным возбуждением), являющейся величиной постоянной и не зависящей от нагрузки. Для двигателей с постоянными магнитами мощность управления – вся потребляемая мощность.

Сравнительно большая мощность управления является серьезным недостатком двигателя с якорным управлением, так как при этом требуется усилитель достаточно большой мощности.

Мощность управления резко увеличивается с увеличением коэффициента сигнала.

Механическая мощность исполнительного двигателя в относительных единицах представляет собой произведение относительной скорости вращения на относительный момент:

  рм=m      (4)

Величину максимальной механической мощности рм max и соответствующую скорость вращения кр можно определить, положив dpм/d=0. При этом получим

 рм max=2/4;    кр=0,5=0,50.           (5)

На рис.5,б показаны зависимости рм=f() при различных значениях коэффициента сигнала. При пуске (=0) и холостом ходе (m=0) она равна нулю.

Максимум механической мощности пропорционален, как и для мощности управления, квадрату коэффициента сигнала. Уменьшение мощности управления за счет уменьшения напряжения управления приводит к уменьшению максимального значения механической мощности, то есть к плохому использованию номинальной мощности двигателя.

Исполнительные двигатели постоянного тока с электромагнитным возбуждением имеют сравнительно высокий коэффициент полезного действия – в двигателях мощностью до 10Вт он равен 25…30%, а в двигателях мощностью 200…250Вт доходит до 60%. Двигатели с магнитоэлектрическим возбуждением имеют еще больший кпд.

Отметим, что управление исполнительными двигателями с электромагнитным возбуждением возможно также через полюсную обмотку с подачей напряжения возбуждения в якорную обмотку (полюсное управление). Однако такие двигатели не нашли практического применения в схемах автоматики из-за плохих (нелинейных и неоднозначных) механических и регулировочных характеристик.

Передаточная функцию двигателя по угловой скорости в общем случае определяется выражением

W(p)=,    (6)

где введены обозначения:  - оператор Лапласа; ТП =;  - коэффициент затухания; эм=LЯ/RЯ – электромагнитная постоянная времени; м=JРо/МК=JДВ/F – электромеханическая постоянная времени;  - момент инерции ротора; 0 – скорость холостого хода; МК – момент короткого замыкания (пусковой момент); F=МК/0 – коэффициент внутреннего демпфирования, определяющий крутизну механической характеристики,  - индуктивность обмотки якоря;  - коэффициент.

Передаточная функция отражает процессы изменения тока в якоре (электромагнитный процесс) и скорости вращения ротора (механический процесс). Если коэффициент затухания 1, то переходной процесс имеет колебательный характер, а если 1 (м4эм), то переходный процесс носит апериодический характер. В последнем случае передаточная функция (6) может быть аппроксимирована следующим выражением:

W(р)=.     (7)

Электромеханическая постоянная времени двигателя при якорном управлении не зависит от коэффициента сигнала, что следует из параллельности механических характеристик при различных коэффициентах сигнала.

При приложении к двигателю, например, скачка напряжения изменение тока якоря происходит с запаздыванием, пропорциональным электромагнитной постоянной времени эм. В ответ на изменение тока якоря происходит запаздывание роста скорости вращения ротора, пропорциональное электромеханической постоянной времени м.

Если между постоянными времени имеет место соотношение

мэм,        (8)

то из передаточной функции (7) получаем

   W(p)=.      (9)

Если необходимо рассчитать изменение скорости вращения  (t) в функции времени, то из выражения (9) можно получить

  (t)=.    (10)

В ответ на скачкообразное изменяющееся управляющее воздействие происходит запаздывание роста скорости вращения, что иллюстрируется рис.6. Двигатель набирает значение скорости вращения в 0,633 от установившейся за время м.

На практике условие (8) для коллекторных двигателей постоянного тока с якорным управлением выполняется практически всегда, поэтому для них используют передаточную функцию в виде (9). Для бесколлекторных двигателей постоянного тока в некоторых случаях из-за большой индуктивности обмоток величины электромагнитной и электромеханической постоянных времени могут быть сопоставимы. В этом случае необходимо пользоваться передаточной функцией (7).

К величине электромеханической постоянной времени в исполнительных двигателях предъявляются весьма жесткие требования. Величина ее определяется конструктивными параметрами двигателя.

Если под выходной величиной двигателя понимать угол поворота его выходного вала , то, учитывая, что  d/dt, передаточная функция в этом случае имеет вид

  W(p)=    (10)

или при  мэм

W(p)=.     (11)

В последнем случае двигатель может быть представлен структурной схемой, состоящей из трех последовательно соединенных звеньев:

а) усилительного звена с коэффициентом усиления  kдв;

б) интегрирующего звена с передаточной функцией  1/р;

в) апериодического звена с передаточной функцией  1/(мр+1).

II. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка для исследования двигателей постоянного тока содержит два одинаковых двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов типа ДПМ- 20, роторы которых соединены между собой. Один из двигателей – испытуемый, второй выполняет роль электромагнитного тормоза. Он закреплен за ось ротора, а на его корпусе закреплен маятник. Такая кинематика позволяет измерять момент, преодолеваемый испытываемым двигателем. Питание двигателей осуществляется от независимых регулируемых источников питания постоянного тока. Цена деления шкалы измерителя момента составляет  г·см/град. Для измерения скорости вращения используется цифровой частотомер, шкала которого проградуирована в единицах скорости (тахометр). Импульсы, подаваемые на вход частотомера, формируются с помощью вращающегося прерывателя светового луча, излучаемого светодиодом.

Примечание. В связи с тем, что прерыватель содержит в два раза меньше отверстий по отношению к паспортному значению, показания тахометра следует умножать на два.

Паспортные данные испытуемого двигателя:

Тип двигателя – ДПМ – 20 –

Номинальное напряжение питания – 27 В постоянного тока;

Скорость холостого хода –

Номинальный момент на валу –

Максимальный момент на валу -

III. Порядок выполнения работы

  1.  Ознакомиться с конструкциями двигателей, имеющимися в лаборатории.
  2.  Измерить сопротивление якоря испытуемого двигателя в холодном состоянии.
  3.  Снять семейство механических характеристик двигателя для трех коэффициентов сигнала - =1, =0,75 и =0,5. Характеристики целесообразно начинать снимать с точки холостого хода (обмотка двигателя – тормоза обесточена). Изменение нагрузки на двигатель осуществляется путем изменения тока управления в двигателе – тормозе. При этом полярности напряжений должны быть подобраны таким образом, чтобы двигатели вращались в противоположные стороны. Для каждой точки характеристики необходимо производить измерение потребляемого испытываемым двигателем тока.
  4.  Снять семейство регулировочных характеристик двигателя для трех значений момента на валу. Постоянство момента при этом необходимо поддерживать путем изменения тока в двигателе – тормозе.
  5.  Используя один из двигателей как тахогенератор, зарисовать полученные с помощью осциллографа кривые переходного процесса по скорости вращения при скачкообразном изменении напряжения питания и определить по ним значение электромеханической постоянной времени двигателя.
  6.  Измерить сопротивление якоря испытуемого двигателя после проведения всех исследований.

IV. Содержание отчета

В отчете должны быть представлены электрические схемы проведения опытов, необходимые таблицы, графики экспериментальных механических и регулировочных характеристик, расчетные графики зависимостей потребляемой и полезной мощности двигателя в функции скорости вращения, выводы по работе.

V. Контрольные вопросы

1. Перечислите достоинства и недостатки исполнительных двигателей постоянного тока.

2. Какие моменты действуют на двигатель в режиме холостого хода? Каков порядок этих моментов?

3. Можно ли в конкретном двигателе уменьшить электромеханическую постоянную времени?

4. Каково назначение щеточно – коллекторного узла двигателя постоянного тока?

Список рекомендуемой литературы.

1. Брускин Д.Э. и др. Электрические машины и микромашины.–М.: Высшая школа, 1981.–432 с.

2. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств.-М.: Высшая школа, 1988.- 479 с.

3. Арменский Е.В., Фалк Г.Б. Электрические микромашины.-М.: Высшая школа, 1985.-231 с.

4. Кенио Т., Нагамори С. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами.-М.: Энергоатомиздат, 1989.-181 с.

5. Хрущев В.В. Электрические машины систем автоматики.-Л.: Энергоатомиздат, 1985.-364 с.

6. Степанковский Ю.В. Преобразующие устройства приборов. Т. 1. Электродвигатели (силовые микромашины). – К.: Корнійчук, 2002. 207 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

76188. Емоції і почуття 26.94 KB
  Діяльність людини, її поведінка завжди викликають позитивне або негативне ставлення до неї. Ставлення до дійсності відображається в мозку й переживається як задоволення або незадоволення, радість, сум, гнів, сором. Такі переживання називають емоціями, почуттями.
76189. Инновационная экономика Бразилии 53.95 KB
  По размеру территории и численности населения Бразилия пятая по величине страна в мире. Она обладает широким спектром отраслей включая автомобилестроение металлургию производство компьютеров химическую и авиационную промышленность.
76190. Психологические особенности дошкольного возраста 43.96 KB
  Общая характеристика психологических особенностей дошкольников Дошкольный возраст - это этап психического развития детей охватывающий период от 3 до 67 лет характерен тем что ведущей деятельностью является игра весьма важен для формирования личности ребенка.
76191. Радиофизические методы 31.31 KB
  Анализ физических свойств атмосферы определенного района измеряемых в метрологии имеет также большое значение для авиации сельского хозяйства и других отраслей народного хозяйства. Кроме глобальных измерений состояния атмосферы описанных выше радиофизические дистанционные...
76192. Космические технологии в земледелии 80 KB
  Земледелие - отрасли с.-х. производства, основанные на рациональном использовании земли с целью выращивания с.-х. культур. Полеводство, овощеводство, луговодство, лесоводство, винаградоводство и т.д. являются отраслями частного земледелия.
76193. Августин Блаженный 32.75 KB
  Августин жил на закате античности и является самым крупным раннехристианским мыслителем в трудах которого с предельной яркостью выразился переход от античного мировоззрения к средневековому.
76194. Дослідження космосу 24.52 KB
  Великий німецький філософ Іммануїл Кант зазначив одного разу, що є лише дві речі, гідні справжнього подиву і захоплення: зоряне небо з нас і моральний закон всередині нас. У давнину вважали: те й інше нерозривно пов’язані між собою.