Меню

Пример расчета двигателя постоянного тока

Модель двигателя постоянного тока и пример расчета

В этом и следующих разделах пособия будут рассмотрены примеры использования программы АС 3.1 для моделирования часто встречающихся систем электропривода. В качестве объекта моделирования в этом и следующих разделах будем рассматривать электродвигатель постоянного тока параллельного возбуждения типа П62.

Данные двигателя взяты из справочника.

Номинальная мощность, Рн 8 кВт

Номинальная скорость, nн 1000 об/мин

Номинальный ток, Iн 43 А

Номинальное напряжение Uн 220 В

Сопротивление якоря, Ra = (rя+rДП) 0.328 Ом

Сопротивление возбуждения пар. обмотки, Rв 136 Ом

Число активных проводников якоря, N 558

Число параллельных ветвей якоря, 2а 2

Магнитный поток полюса полезный, Ф 10.7 мВб

Номинальный ток возбуждения пар. обмотки, Iвн 1.23

Максимально допустимая частота вращения, nmax 1500 об/мин

Момент инерции якоря, JД 0,65 кг·м 2

Число полюсов, 2р 4

Коэффициент компенсации двигателя k 0,5

Так как технические данные электродвигателя приведены при температуре окружающей среды 20 °С, то необходимо пересчитать все сопротивления на рабочую температуру 80°С. Для расчета параметров использованы известные формулы. Кроме того, пусть приведенный момент инерции механизма Jм равен JД, тогда суммарный момент инерции J = 2JД = 1.3 кг·м 2 . В итоге получаем:

Сопротивление якоря Ra = 1,24·(rя+rДП) = 0.4 Ом

Номинальная частота вращения ωн = nн∙2π/60 = 105 рад/с

Конструктивный коэффициент αФ = (Uн-IнRа)/ωн = 1.93 Вс/рад

Электромеханическая постоянная Тм = JRа/(αФ) 2 = 0.14 с

Индуктивность якорной обмотки La = kUн/Iнн = 0,012 Гн

Электромагнитная постоянная Та = La/Ra = 0,03 с

Модель двигателя с указанием параметров представлена на рис. 8.1. Звено 4 введено для перевода угловой частоты вращения в обороты. Звено 2 приведено к виду , где .

Рис.8.1 a) расчетная модель ДПТ;

б) модель ДПТ в программе АС 3.1 (файл DPT1.sa).

Моделируются два последовательных режима: прямой пуск двигателя от сети постоянного тока напряжением 220 вольт на холостом ходу и последующее ступенчатое приложение номинальной нагрузки. Длительность каждого режима 1 секунды. Шаг интегрирования 0,001 с. При вводе нагрузки учитывается ее знак (вводится с минусом, т.к. направлена против направления вращения).

На рис. 8.2. представлена графическая форма вывода результатов. По результатам видно, что скорость холостого хода – 1090 об/мин, а переходные процессы не имеют колебательного характера. Из расчетов видно, что при прямом пуске (даже на холостом ходу), ток якоря на короткое время (около 0,1 с.) достигает 420 А, что почти в 10 раз превышает номинальное значение.

Рис. 8.2. Пример моделирования переходных процессов в ДПТ.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Пример расчета двигателя постоянного тока (ДПТ) серии П

Рассчитать статические характеристикии переходной процессреостатного пуска ДПТ без учёта электромагнитной инерции

Таблица № 10. – Параметры ДПТ серии П

Тип двигателя Р, кВт n, об/мин Uн, В N 2a Wв Iн, А
П 73,5
Rя+Rдп, Ом Rв, Ом Фн, Вб nmах, об/мин Iвн, А Jд, кг·м 2 n/ nmах
0,128 11,1·10 -3 1,44 0,65 1:2

3.1 Приведём сопротивления обмоток ДПТНВ к рабочей температуре:

где: – КПД ДПТНВ в номинальном режиме, о.е.:

3.2 Будем считать, что приводимый механизм создаёт на валу ДПТНВ реактивный статический момент сопротивления постоянной величины . При условии постоянства магнитного потока машины выберем ток нагрузки в пределах:

3.3 Выберем пусковой ток на искусственных характеристиках в пределах:

а переключающий ток:

3.4 Кратность пускового и переключающего токов определяется как:

3.5 Относительное сопротивление якоря двигателя в нагретом состоянии:

3.6 Определяем число ступеней пуска:

Округляем результат до ближайшего большего значения.

3.7 Определяем уточнённое значение кратности тока:

Из формулы (48) определим ток :

Проверяем выполнение условия :

3.8 Рассчитаем пусковые (регулировочные) сопротивления:

где: – номер ступени;

3.9 Для каждой ступени определяем механическую постоянную времени:

где: – номинальная угловая частота вращения, рад/с:

– конструктивная постоянная ДПТНВ:

– суммарный момент инерции ротора, приведённый к валу двигателя:

где: – момент инерции ротора, кг·м 2 ;

– момент инерции механизма, приведенный к валу ДПТНВ, кг·м 2 :

3.10 Для каждой искусственной и естественной ступени определяем установившуюся скорость вращения:

3.11 Для каждой искусственной и естественной ступени определяем начальную скорость вращения (для первой ступени ):

3.12 Длительность переходного процесса (время разгона) на каждой пусковой (искусственной) ступени определяем по зависимости:

3.13 Время разгона на естественной характеристике определяем как:

где: – допустимая погрешность расчёта;

3.14 Для построения графиков переходных процессов частоты вращения и тока якоря на каждой ступени пуска (в том числе для естественной характеристике), шаг расчёта по времени определим, как:

где: – рекомендуемое число точек; выбираем :

3.15 Строим для каждой ступени пуска (в том числе для естественной характеристики), задаваясь значениями времени в диапазоне от 0 до с шагом , зависимости угловой скорости и тока:

Данные расчета приведены в таблицах 11 и 12, а переходной процесс представлен на рисунках 9 и 10.

Таблица № 11. – Переходной процесс ДПТ, зависимость ω(t)

t,c 0,15 0,3 0,45 0,6 0,75 0,9 1,05 1,2 1,35 1,44 1,53 1,62 1,71 1,8
ω,рад/с 13,55 24,92 34,46 42,46 49,17 54,8 59,52 63,48 66,80 115,24 115,57 115,84 116,07 116,27
t,c 1,89 1,98 2,07 2,16 2,21 2,26 2,31 2,36 2,41 2,46 2,51 2,56 2,61 2,64 2,67
ω,рад/с 116,43 116,56 116,68 116,78 137,32 137,33 137,33 137,33 137,33 137,33 137,33 137,34 137,34 149,54 149,54
t,c 2,76 2,79 2,82 2,85 2,88 2,91 2,95 2,99 3,03 3,07 3,11 3,15 3,19 3,23 3,27
ω,рад/с 149,54 149,54 149,54 149,54 149,54 149,54

Рисунок 9.– Переходной процесс ДПТ, зависимость ω(t)

Таблица 11. – Переходной процесс ДПТ, зависимость I(t)

t,c 0,15 0,3 0,45 0,6 0,75 0,9 1,05 1,2 1,35 1,35
I,А 135,1477 125,2066 116,8686 109,8751 104,0094 99,08959 94,96311 91,50205 88,59911
t,c 1,44 1,53 1,62 1,71 1,8 1,89 1,98 2,07 2,16 2,16 2,21
I,А 135,236 125,3548 117,0552 110,084 104,2286 99,3103 95,17924 91,70937 88,79488 136,1486
t,c 2,26 2,31 2,36 2,41 2,46 2,51 2,56 2,61 2,61 2,64 2,67
I,А 126,8992 119,0155 112,2956 106,5679 101,6858 97,52451 93,97757 90,95429 136,2122 127,0077
t,c 2,7 2,73 2,76 2,79 2,82 2,85 2,88 2,91 2,91 2,95 2,99
I,А 119,1542 112,4533 106,736 101,8579 97,69568 94,1444 91,11435 88,52903 125,4073 110,1581

Рисунок 10. – Переходной процесс ДПТ, зависимость I(t)

Источник



Расчет и экспериментальное исследование двигателя постоянного тока

Расчётно-экспериментальная работа № 8

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.

Читайте также:  Принцип нагрева проводников электрическим током

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 Фв 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 Rя = 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 Iя, где Fс — среднее значение силы в ньютонах (Н), действующей на якорь, d — диаметр якоря, м.

· Рмех = М – механическая мощность на валу,

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

· η коэффициент полезного действия, η = 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(Iя) называется моментной характеристикойдвигателя. При установившемся режиме работы двигателя электромагнитный момент вращения М связан с током якоря Iя .

Характеристика коэффициента по­лез­ного действия h = ¦(Iя) нара­стает очень быстро при росте нагрузки от нуля (режим холостого хода) до 0,5Iян 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(Iя), представляющей зависимость частоты вращения n от тока якоря Iя при U = const и Iв = 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= 𝖞 Рн /𝝎 (𝝎=2πn/60).

Б. Определить ток якоря Iя = Uн / Rя

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

Г. Определить ток обмотки возбуждения I ов = Uовн / Rов

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

Е. Определить проводимость механической нагрузки (коэффициент трения якоря) M/𝝎 (𝝎=2πn/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 𝖞 % 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 𝖞 % Rя, Ом Rдоп Ом R ов, Ом Lя, мГн
0,17

А. Определяем номинальный вращающий момент М= 𝖞 Рн /𝝎 (𝝎=2πn/60).

𝝎=2πn/60=78,5 рад/с М= 𝖞 Рн /𝝎 =0,5 170/78/5=1,08 Н м.

Б. Определим ток якоря Iя = Uн / Rя=120/10=12 A

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

Г. Определить ток обмотки возбуждения I ов = Uовн / Rов=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/𝝎= 1,08/78,5=0,014 Н м /рад

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:

Ra – Сопротивление ротора в Омах, Ω

La— Индуктивность ротора в Генри ,Гн

Rf — Сопротивление полевой обмотки в Омах, Ω

Lf — Индуктивность полевой обмотки в генри ,Гн

Bf — Трение вала в Н•м•с/рад, N m*s/rad

J — Инерция вращения машины в Н•м•с 2 /рад, N*m*s 2 /rad

nn— Номинальная скорость вращения , в оборотах в минуту, PRM

Van — Номинальная напряжение ротора в Вольтах,V

Ian— Номинальный ток ротора в Aмперах, А

Vfn — 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.

Читайте также:  Пусковой ток насоса aquario

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, [𝝎]=рад/c
Мощность, [U* I]=Вт. Мощность на валу, [М*𝝎]=Вт.
Проводимость, [G]= Cм. Коэффициент трения вала [В=М/ 𝝎]= Н* м*с/рад
Емкость, [С]= Ф. Инерция вращения ротора, [J] = Н*м*с 2 /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 U 2 .

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/P2н 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.

Источник

Расчет параметров двигателей постоянного тока

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №12

«Расчет параметров двигателей постоянного тока»

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: рассчитать ток двигателя в номинальном режиме, частоту вращения и ток в режиме холостого хода; потери и КПД двигателя; механические и искусственные характеристики двигателя.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ:

Коллекторные машины обладают свойством обратимости, т. е. они могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Поэтому если машину постоянного тока подключить к источнику энергии постоянного тока, то в обмотке возбуждения и в обмотке якоря машины появятся токи. Взаимодействие тока якоря с полем возбуждения создает на якоре электромагнитный момент М, который является не тормозящим, как это имело место в генераторе, а вращающим.

Под действием электромагнитного момента якоря машина начнет вращаться, т. е. машина будет работать в режиме двигателя, потребляя из сети электрическую энергию и преобразуя ее в механическую. В процессе работы двигателя его якорь вращается в магнитном поле. В обмотке якоря индуцируется ЭДС , направление которой можно определить по правилу «правой руки». По своей природе она не отличается от ЭДС, наводимой в обмотке якоря генератора. В двигателе же ЭДС направлена против тока , и поэтому ее называют противоэлектродвижущей силой (противо-ЭДС) якоря.

Для двигателя, работающего с постоянной частотой вращения,

Из (29.1) следует, что подведенное к двигателю напряжение уравновешивается противо-ЭДС обмотки якоря и падением напряжения в цепи якоря. На основании (29.1) ток якоря

Умножив обе части уравнения (29.1) на ток якоря , получим уравнение мощности для цепи якоря:

где — мощность в цепи обмотки якоря; — мощность электрических потерь в цепи якоря.

Для выяснения сущности выражения проделаем следующее преобразование:

где — угловая частота вращения якоря; — электромагнитная мощность двигателя.

Следовательно, выражение представляет собой электромагнитную мощность двигателя.

Преобразовав выражение (12.3) с учетом (12.4), получим

Анализ этого уравнения показывает, что с увеличением нагрузки на вал двигателя, т. е. с увеличением электромагнитного момента М, возрастает мощность в цепи обмотки якоря , т. е. мощность на входе двигателя. Но так как напряжение, подводимое к двигателю, поддерживается неизменным , то увеличение нагрузки двигателя сопровождается ростом тока в обмотке якоря .

В зависимости от способа возбуждения двигатели постоянного тока, так же как и генераторы, разделяют на двигатели с возбуждением от постоянных магнитов (магнитоэлектрические) и с электромагнитным возбуждением. Последние в соответствии со схемой включения обмотки возбуждения относительно обмотки якоря подразделяют на двигатели параллельного (шунтовые), последовательного (сериесные) и смешанного (компаундные) возбуждения.

В соответствии с формулой ЭДС частота вращения двигателя (об/мин) .

Подставив значение из (12.1), получим (об/мин) , (12.5)

Частота вращения двигателя прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку возбуждения. Физически это объясняется тем, что повышение напряжения U или уменьшение потока Ф вызывает увеличение разности ; это, в свою очередь, ведет к росту тока . Вследствие этого возросший ток повышает вращающий момент, и если при этом нагрузочный момент остается неизменным, то частота вращения двигателя увеличивается.

Из (29.5) следует, что регулировать частоту вращения двигателя можно изменением либо напряжения U , подводимого к двигателю, либо основного магнитного потока Ф, либо электрического сопротивления в цепи якоря .

Направление вращения якоря зависит от направлений магнитного потока возбуждения Ф и тока в обмотке якоря. Поэтому, изменив направление какой-либо из указанных величин, можно изменить направление вращения якоря. Следует иметь в виду, что переключение общих зажимов схемы у рубильника не дает изменения направления вращения якоря, так как при этом одновременно изменяется направление тока и в обмотке якоря, и в обмотке возбуждения.

Пусковой ток якоря при полном сопротивлении пускового реостата

С появлением тока в цепи якоря возникает пусковой момент , под действием которого начинается вращение якоря. По мере нарастания частоты вращения увеличивается противо-ЭДС , что ведет к уменьшению пускового тока и пускового момента.

Схема включения в сеть двигателя показана на рис. 29.3, а. Характерной особенностью параллельного возбуждения является то, что ток в обмотке возбуждения (ОВ) не зависит от тока нагрузки (тока якоря). Реостат в цепи возбуждения служит для регулирования тока в обмотке возбуждения и магнитного потока главных полюсов.

Эксплуатационные свойства двигателя определяются его рабочими характеристиками, под которыми понимают зависимость частоты вращения n , тока I , полезного момента M 2, вращающего момента M от мощности на валу двигателя Р2 при и (рис. 29.3, 6).

При включении стабилизирующей обмотки согласованно с параллельной обмоткой возбуждения ее МДС компенсирует размагничивающее действие реакции якоря так, что поток Ф во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменным.

Изменение частоты вращения двигателя при переходе от номинальной нагрузки к х.х., выраженное в процентах, называют номинальным изменением частоты вращения:

где — частота вращения двигателя в режиме х.х.

Обычно для двигателей параллельного возбуждения , поэтому характеристику частоты вращения двигателя параллельного возбуждения называют жесткой.

Введение дополнительного сопротивления в цепь якоря. Дополнительное сопротивление (реостат ) включают в цепь якоря аналогично пусковому реостату (ПР). Однако в отличие от последнего оно должно быть рассчитано на продолжительное протекание тока.

При включении сопротивления в цепь якоря выражение частоты (29.5) принимает вид

где — частота вращения в режиме х.х.;

— изменение частоты вращения, вызванное падением напряжения в цепи якоря.

Частоту вращения двигателей последовательного возбуждения можно регулировать изменением либо напряжения , либо магнитного потока обмотки возбуждения. В первом случае в цепь якоря последовательно включают регулировочный реостат (рис. 29.10, а). С увеличением сопротивления этого реостата уменьшаются напряжение на входе двигателя и частота его вращения. Этот метод регулирования применяют главным образом в двигателях небольшой мощности. В случае значительной мощности двигателя этот способ неэкономичен из-за больших потерь энергии в . Кроме того, реостат , рассчитываемый на рабочий ток двигателя, получается громоздким и дорогостоящим.

Читайте также:  Период колебаний переменного тока для которого конденсатор емкостью

Регулировать частоту вращения двигателя изменением магнитного потока можно тремя способами: шунтированием обмотки возбуждения реостатом , секционированием обмотки возбуждения и шунтированием обмотки якоря реостатом . Включение реостата , шунтирующего обмотку возбуждения, а также уменьшение сопротивления этого реостата ведет к снижению тока возбуждения , а следовательно, к росту частоты вращения. Этот способ экономичнее предыдущего (см. рис. 29.10, а), применяется чаще и оценивается коэффициентом регулирования . Обычно сопротивление реостата принимается таким, чтобы .

При секционировании обмотки возбуждения отключение части витков обмотки сопровождается ростом частоты вращения. При шунтировании обмотки якоря реостатом увеличивается ток возбуждения , что вызывает уменьшение частоты вращения. Этот способ регулирования, хотя и обеспечивает глубокую регулировку, неэкономичен и применяется очень редко.

Потери в машинах постоянного тока. В машинах постоянного тока, как и в других электрических машинах, имеют место магнитные, электрические и механические потери (составляющие группу основных потерь) и добавочные потери.

Магнитные потери происходят только в сердечнике якоря, так как только этот элемент магнитопровода машины постоянного тока подвергается перемагничиванию. Величина магнитных потерь, состоящих из потерь от гистерезиса и потерь от вихревых токов, зависит от частоты перемагничивания значений магнитной индукции в зубцах и спинке якоря, толщины листов электротехнической стали, ее магнитных свойств и качества изоляции этих листов в пакете якоря.

Электрические потери в коллекторной машине постоянного тока обусловлены нагревом обмоток и щеточного контакта. Потери в цепи возбуждения определяются потерями в обмотке возбуждения и в реостате, включенном в цепь возбуждения:

Здесь — напряжение на зажимах цепи возбуждения. Потери в обмотках цепи якоря

где сопротивление обмоток в цепи якоря , приведенное к расчетной рабочей температуре , определяется по (13.4) с учетом данных, приведенных в § 13.1 и § 8.4.

Электрические потери также имеют место и в контакте щеток:

где — переходное падение напряжения, В, на щетках обеих полярностей, принимаемое в соответствии с маркой щеток.

Электрические потери в цепи якоря и в щеточном контакте зависят от нагрузки машины, поэтому эти потери называют переменными.

Механические потери. В машине постоянного тока механические потери складываются из потерь от трения щеток о коллектор

трения в подшипниках и на вентиляцию

где — коэффициент трения щеток о коллектор — поверхность соприкосновения всех щеток с коллектором, м 2 ; — удельное давление, Н/м 2 , щетки [для машин общего назначения =(2÷3)·10 4 Н/м 2 ];

окружная скорость коллектора (м/с) диаметром (м)

Механические и магнитные потери при стабильной частоте вращения можно считать постоянными.

Сумма магнитных и механических потерь составляют потери х.х.:

Если машина работает в качестве двигателя параллельного возбуждения в режиме х.х., то она потребляет из сети мощность

Однако ввиду небольшого значения тока электрические потери и весьма малы и обычно не превышают 3% потерь . Поэтому, не допуская заметной ошибки, можно записать , откуда потери х.х.

Таким образом, потери х.х. (магнитные и механические) могут быть определены экспериментально.

В машинах постоянного тока имеется ряд трудно учитываемых потерь — добавочных. Эти потери складываются из потерь от вихревых токов в меди обмоток, потерь в уравнительных соединениях, в стали якоря из-за неравномерного распределения индукции при нагрузке, в полюсных наконечниках, обусловленных пульсацией основного потока из-за наличия зубцов якоря, и др. Добавочные потери составляют хотя и небольшую, но не поддающуюся точному учету величину. Поэтому, согласно ГОСТу, в машинах без компенсационной обмотки значение добавочных потерь принимают равным 1% от полезной мощности для генераторов или 1% от подводимой мощности для двигателей. В машинах с компенсационной обмоткой значение добавочных потерь принимают равным соответственно 0,5%.

Мощность (Вт) на входе машины постоянного тока (подводимая мощность):

для генератора (механическая мощность)

где — вращающий момент приводного двигателя, Н∙м;

для двигателя (электрическая мощность)

Мощность (Вт) на выходе машины (полезная мощность):

для генератора (электрическая мощность)

для двигателя (механическая мощность)

Здесь и — момент на валу электрической машины, Н-м; — частота вращения, об/мин.

Коэффициент полезного действия. Коэффициент полезного действия электрической машины представляет собой отношение мощностей отдаваемой (полезной) к подводимой (потребляемой) ,:

Определив суммарную мощность вышеперечисленных потерь

можно подсчитать КПД машины по одной из следующих формул:

Обычно КПД машин постоянного тока составляет 0,75—0,90 для машин мощностью от 1 до 100 кВт и 0,90—0,97 для машин мощностью свыше 100 кВт. Намного меньше КПД машин постоянного тока малой мощности. Например, для машин мощностью от 5 до 50 Вт = 0,15÷0,50. Указанные значения КПД соответствуют номинальной нагрузке машины. Зависимость КПД машины постоянного тока от нагрузки выражается графиком , форма которого характерна для электрических машин.

Коэффициент полезного действия электрической машины можно определять: а) методом непосредственной нагрузки по результатам измерений подведенной и отдаваемой мощностей; б) косвенным методом по результатам измерений потерь.

Метод непосредственной нагрузки применим только для машин малой мощности, для остальных случаев применяется косвенный метод, как более точный и удобный. Установлено, что при > 80 % измерять КПД методом непосредственной нагрузки нецелесообразно, так как он дает большую ошибку, чем косвенный метод.

Существует несколько косвенных способов определения КПД. Наиболее прост способ холостого хода двигателя, когда потребляемая машиной постоянного тока мощность затрачивается только на потери х.х. Что же касается электрических потерь, то их определяют расчетным путем после предварительного измерения электрических сопротивлений обмоток и приведения их к рабочей температуре.

Пример 12.1. Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения включен в сеть с напряжением 220 В. При номинальной нагрузке и частоте вращения об/мин он потребляет ток = 43 А. Определить КПД двигателя при номинальной нагрузке, если ток х.х. = 4 А, а сопротивления цепей якоря = 0,25 Ом и возбуждения = 150 Ом. При каком добавочном сопротивлении , включенном последовательно в цепь якоря, частота вращения двигателя будет = 1000 об/мин (нагрузочный момент )?

Решение. Ток возбуждения = 220/150 =1,47 А. Ток якоря в режиме х.х. = 4 — 1,47 = 2,53 А. Ток якоря номинальный = 43 — 1,47 = 41,53 А. Сумма магнитных и механических потерь = 220- 2,53 -2,53 2 — 0,25 = 555 Вт. Электрические потери в цепи возбуждения по (12.18)

Электрические потери в цепи якоря по (12.19)

Электрические потери в щеточном контакте по (12.20)

Подводимая к двигателю мощность по (12.28)

Суммарные потери по (12.31)

Полезная мощность двигателя

КПД двигателя при номинальной нагрузке

Из выражения (29.5) получим

ЭДС якоря при частоте вращения 1000 об/мин по (12.20)

Так как ток якоря прямо пропорционален моменту , то при сила тока после включения останется прежней А. Из выражения тока якоря (12.2) получим

Электрические потери в добавочном сопротивлении

Полезная мощность двигателя при частоте вращения 1000 об/мин

Расчет полезной мощности является приближенным, так как он не учитывает уменьшение механических потерь двигателя при его переходе на меньшую частоту вращения.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:

Решить задачу №1. Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения имеет следующие данные: номинальная мощность Р ном , напряжение питания U ном , номинальная частота вращения n ном , сопротивление обмоток в цепи якоря Σr , сопротивление цепи возбуждения r в , падение напряжения в щеточном контакте щеток ∆ U щ = 2 В. Значения перечисленных параметров приведены в табл. 12.1. Требуется определить потребляемый двигателем ток в режиме номинальной нагрузки I ном , сопротивление пускового реостата R п.р. , при котором начальный пусковой ток в цепи якоря двигателя был бы равен 2,5 I аном , начальный пусковой момент М п , частоту вращения n и ток I в режиме холостого хода, номинальное изменение частоты вращения якоря двигателя при сбросе нагрузки. Влиянием реакции якоря пренебречь.

Источник