Лабораторная работа. Изучение работы двигателя постоянного тока

Занятие по рабочей программе №19

Дисциплина: «Электротехника и электроника»

Раздел 2. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

Тема 2.3. Электрические машины.

Лабораторная работа №9. Изучение работы двигателя постоянного тока.

ХОД ЗАНЯТИЯ

1. Ознакомление с темой, целью и планом занятия.

Тема: Электрические машины.

Изучение работы двигателя постоянного тока.

Цель работы:

1. Изучать устройство двигателя постоянного тока па­раллельного возбуждения и приобрести практические навыки в сборке схемы при опытном исследовании двигателя для получения данных его основных характеристик;

2. Получить экспериментальное подтвержде­ние теоретическим сведениям о свойствах двигателей постоянного то­ка параллельного возбуждения.

ПЛАН

1. Инструктаж по технике безопасности

2. Теоретические сведения

3. Рабочее задание

4. Составление отчёта

5. Защита лабораторной работы

2. Выполнение практического задания

1. Инструктаж по технике безопасности

При выполнении лабораторной работы запрещается:

1. Производить включение электроприборов без разрешения преподавателя

2. Производить переключения в схеме и ее разборку при включенном электроприборе.

3. Оставлять включенный электроприбор без надзора.

4. Использовать при сборке и разборке электроприборов нестандартный и неисправный инструмент (см. Приложение занятие 4).

2. Теоретические сведения

2.1. Устройство двигателей постоянного тока (ДПТ)

Двигатель состоит из якорной обмотки (ротора с якорной обмоткой), статора, щёточного узла. ДПТ являются обратимыми электрическими машинами, то есть в определенных условиях способны работать как генераторы.

Статор

На статоре ДПТ располагаются в зависимости от конструкции:

• постоянные магниты;

• обмотки возбуждения — катушки, наводящие магнитный поток возбуждения.

Двигатели постоянного тока различаются по способу коммутации обмоток возбуждения. Вид подключения обмоток возбуждения существенно влияет на тяговые и электрические характеристики электродвигателя.

Рис. 1 Устройство двигателей постоянного тока

Существуют схемы независимого, параллельного, последовательного и смешанного включения обмоток возбуждения.

Ротор

Ротор любого ДПТ состоит из многих катушек, на одну из которых подаётся питание в зависимости от угла поворота ротора относительно статора. Применение большого числа (несколько десятков) катушек необходимо для обеспечения оптимального взаимодействия между магнитными полями ротора и статора (то есть создания максимального момента на роторе).

Выводы всех катушек объединяются в коллекторный узел. Коллекторный узел обычно представляет собой кольцо из изолированных друг от друга пластин-контактов, расположенных по оси ротора. Существуют и другие конструкции коллекторного узла.

Щёточный (коллекторно-щёточный) узел

Графитовые щётки

Щ ёточный узел необходим для подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе. Щётка — неподвижный контакт (обычно графитовый или медно-графитовый).

Щ

Рис. 2 Графитовые щётки

Искрение уменьшают выбором взаимного положения полюсов ротора относительно статора (снижая ток коммутации), а также подключением внешних реактивных элементов (конденсаторов).

При больших токах в роторе ДПТ возникают мощные переходные процессы, в результате чего искрение может постоянно охватывать все пластины коллектора, независимо от положения щёток. Данное явление называется кольцевым искрением коллектора или "круговой огонь". Кольцевое искрение опасно тем, что одновременно выгорают все пластины коллектора, и срок его службы значительно сокращается. Визуально кольцевое искрение проявляется в виде светящегося кольца около коллектора. Эффект кольцевого искрения коллектора не допустим, при проектировании приводов устанавливаются соответствующие ограничения на максимальные моменты (а следовательно и токи в роторе), развиваемые двигателем.

2.2. Схемы включения двигателя постоянного тока

Что касается электрической схемы включения двигателя, то их несколько, и они показаны на рис.3. При параллельном соединении обмоток, обмотка якоря делается из большого количества витков тонкой проволоки. При таком подключении коммутируемый коллектором ток будет значительно меньше из-за большого сопротивления и пластины не будут сильно искрить и выгорать. Если делать последовательное соединение обмоток индуктора и якоря, то обмотка индуктора делается из провода большего диаметра с меньшим количеством витков, т.к. весь якорный ток устремляется через статорную обмотку. При таких манипуляциях с пропорциональным изменением значений тока и количества витков, намагничивающая сила остаётся постоянной, а качественные характеристики устройства становятся лучше.

Рис. 3 Схемы включения ДПТ

Достоинства и недостатки ДПТ

Достоинства:

• Простота устройства и управления

• Практически линейные механическая и регулировочная характеристики двигателя

Недостатки:

• Необходимость профилактического обслуживания коллекторно-щёточных узлов

• Ограниченный срок службы из-за износа коллектора

3. Рабочее задание

Программа работы.

1) Ознакомиться с конструкцией двигателя и нагрузочного устройства; записать паспортные данные двигателя и данные измерительных приборов.

2) Собрать схему по рис.4 и после проверки ее преподавателем произвести пробный пуск двигателя; проверить возможность регули­ровки частоты вращения и реверсирования.

3) Снять данные и построить регулировочную характеристику дви­гателя в режиме х.х.

4) Снять данные и построить рабочие характеристики двигателя.

5) Составить отчет и сделать заключение о проделанной работе.

Рис.4 - Схема включения двига­теля постоянного тока параллель­ного возбуждения

Подготовка к работе.

1) Повторить теоретический материал: прин­цип действия и устройство двигате­ля постоянного тока, уравнение моментов для двигателя, частота вращения двигателя постоянного тока и способы ее регулировки; пуск двигателей постоянного тока; двигатель постоянного тока парал­лельного возбуждения — принци­пиальная схема, регулировочная и рабочие характеристики.

2) Подготовить на листе формате А4 таблицы для занесения результатов опытов и координатные сетки для построения графиков.

Порядок выполнения работы.

Схема соединений и пробный пуск двигателя. Схема соединений (рис. 2) включает в себя вольтметр V для контроля за напряжением в сети и два амперметра: А1 — для измерения рабочего тока, потребляемого двигателем из сети, и А2 — для измерения тока в обмотке возбужде­ния I_в. Кроме того, в схеме имеется два реостата: ПР — пусковой реостат для ограничения пускового тока и r_рг — регулировочный рео­стат для регулирования величины тока в обмотке возбуждения I_в. В качестве нагрузочного устройства в схеме предусмотрен электро­магнитный тормоз ЭМТ. Возможно применение и других видов нагру­зочных устройств для создания на валу двигателя тормозного момента.

Прежде чем включить двигатель в сеть, необходимо поставить ры­чаг пускового реостата ПР в положение «Пуск», соответствующее наи­большему сопротивлению реостата, а движок (рычаг) регулировочно­го реостата r_рг поставить в положение минимального сопротивления (в этом случае ток возбуждения, а следовательно, и магнитный поток будут наибольшим, что будет способствовать увеличению электромаг­нитного момента двигателя).

После замыкания рубильника Р1 рычаг ПР переводят на первую ступень и якорь двигателя приходит во вращение. Постепенно рычаг реостата переводят в положение «Работа», а затем с помощью регулировочного реостата устанавливают требуемую частоту вращения.

При сборке схемы необходимо обратить особое внимание на надеж­ность всех соединений в цепи обмотки возбуждения, а при работе двигателя и его регулировке следует следить, чтобы эти соединения не нарушались. Такая предосторожность вызвана опасностью «разно­са» двигателя при обрыве в цепи возбуждения.

Для реверса (изменения направления вращения) двигателя необ­ходимо изменить направление тока либо в обмотке возбуждения, либо в обмотке якоря. Если же одновременно изменить направление тока в обеих обмотках, то реверса не произойдет. В этом можно убедиться, поменяв местами провода, присоединенные к рубильнику Р1.

Регулировочная характеристика. Регулировоч­ная характеристика двигателя постоянного тока параллельного воз­буждения представляет собой зависимость частоты вращения п от тока в обмотке возбуждения /„ при неизменных напряжении питания U и нагрузке. В данной работе регулировочную характеристику сни­мают в режиме х.х.

После пуска двигателя при минимальном сопротивлении реостата г_рг двигатель работает без какой-либо нагрузки. Затем постепенно увеличивают сопротивление r_рг до значения, при котором п = 1,2 X X n_ном. При этом через приблизительно одинаковые интервалы часто­ты вращения снимают показания измерителя частоты вращения дви­гателя, например тахогенератора, и амперметра А2 и заносят их в табл. 1.

По данным табл.1 строят регулировочную характеристику двигате­ля п = f(I_в)

Таблица 1

Параметры регулировочной характеристики двигателя п = f(I_в)

Рабочие характеристики. Рабочие характеристики двигателя представляют собой зависимость частоты вращения п, пот­ребляемого тока I полезного (нагрузочного) момента M₂ и КПД η от полезной мощности Р₂ при неизменных значениях напряжения U и тока возбуждения I_в.

Для получения данных, необходимых для построения рабочих ха­рактеристик, включают двигатель и нагружают его до номинального тока нагрузки при номинальной частоте вращения. При этом снимают показания амперметров А1 и А2, вольтметра V и ЭМТ. Затем постепен­но разгружают двигатель до х.х. и через приблизительно одинаковые интервалы тока нагрузки снимают показания перечисленных приборов и заносят их в табл. 2.

Всего снимают не менее пяти показаний.

Рассчитав значения потребляемой мощности (Вт)

P₁, = UI, (1)

полезной мощности (Вт)

Р₂ = 0,105М₂n, (2)

и КПД двигателя (%)

η =(P₂/P₁) 100%, (3)

строят рабочие характеристики двигателя в одних осях координат.

Таблица 2

Параметры рабочих характеристик двигателя

По данным табл. 2 построить рабочие характеристики двигате­ля

п = f(Р₂), I = f(Р₂), η = f(Р₂), M = f(Р₂).

Анализ результатов лабораторной работы. При анализе следует объяснить криволинейный вид регулировочной характеристики дви­гателя, а также форму рабочих характеристик двигателя. При анализе скоростной характеристики n=f(М₂) необходимо, кроме того, дать количественную оценку этой характеристике, рассчитав номинальное изменение частоты вращения двигателя при сбросе нагрузки (%):

₍₄₎

Определив номинальные данные двигателя по его рабочим характе­ристикам, их следует сравнить с паспортными данными двигателя и сделать вывод об их соответствии.

Примечание. Вывод – сделать самостоятельно.

4. Составление отчёта

Отчёт должен содержать:

1. Тему и цель лабораторной работы.

2. Приборы и оборудование

3. Порядок выполнения работы

4. Схему эксперимента

5. Расчётные формулы и обработку данных.

6. Ответы на контрольные вопросы

7. Выводы о проведённом эксперименте и о достижении цели лабораторной работы

5. Защита лабораторной работы

1. Дать пояснения к схеме проведения эксперимента

2. Дать анализ полученным результатам

3. Ответить на контрольные вопросы

Контрольные вопросы

1. Из каких двух основных частей состоит двигатель постоянного тока?

2. Конструкция и назначение статора.

3. Конструкция и назначение ротора (якоря).

4. Конструкция и назначение коллекторно-щёточного узла.

5. Объяснить принцип работы двигателя постоянного тока.

6. С какой целью при пуске двигателя параллельного возбуждения на регулировочном реостате устанавли­вают минимальное сопротивление?

7. Какие способы регулировки частоты вращения возможны в дви­гателях параллельного возбуждения?

8. Почему регулировочная характеристика двигателя параллель­ного возбуждения криволинейна?

9. Какие характеристики двигателя параллельного возбуждения называют рабочими?

10. Почему при увеличении нагрузки двигателя параллельного возбуждения уменьшается частота вращения?

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

1. Составить отчёт

2. Ответить письменно на контрольные вопросы.

3. Конспектировать: Асинхронные машины: назначение, принцип действия, устройство, рабочие характеристики, энергетические соотношения, коэффициент полезного действия.

4. Конспектировать: Понятие про скольжение и частоту вращения. Крутящий момент асинхронного электродвигателя.

Основные источники:

1. Данилов, И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. – М. : Высшая школа, 2010. - 752с.

2. Ермуратский, П.В., Лычкина Г.П., Минкин Ю.Б. Электротехника и электроника. — М.: ДМК Пресс, 2011. — 416 с.

3. Электротехника и электроника / Под ред. Б.И. Петленко. – М. : Издательский центр «Академия», 2008.- 320 с.

4. Иванов, И. И., Соловьев, Г. И., Фролов, В. Я. Электротехника и основы электроники. — СПб. : Издательство «Лань», 2012. — 736 с.

Дополнительные источники:

1. Долгов, А.Н. Сборник задач по физике с решением и ответами. Электричество и оптика. – 186с.

2. Зайцев, А.П. Общая электротехника и электроника. – Томск : Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2002. – 178с.

3. Козлова, И. С. Электротехника. Конспект лекций. - ЭКСМО, 2008. - 160 с.

4. Мартынова, И.О. Электротехника: учебник / И.О. Мартынова. — М .: КНОРУС, 2015. — 304 с.

5. Петленко, Б.И. Электротехника и электроника. Москва, 2003. – 230 с.

6. Прошин, В.М. Электротехника для неэлектрических профессий. М :. – Академия, 2014. - 456с.

7. Прошин, В.М. Электротехника. М. : - Академия, 2013. – 288с.

Преподаватель: Владимир Александрович Волков