Лабораторная работа № 2-3. Исследование машины постоянного тока с независимым возбуждением

1
Лабораторная работа № 2-3.
Исследование машины постоянного тока
с независимым возбуждением
Цель работы: исследовать характеристики машины постоянного тока
с независимым возбуждением в различных режимах работы
1. Основные теоретические положения
В машинах постоянного тока с независимым возбуждением питание обмотки возбуждения осуществляется от отдельного источника,
к ним также относятся машины с постоянными магнитами.
Важнейшими их характеристиками являются: электромеханические (скоростные) и механические характеристики, которые представляют собой зависимости частоты вращения от тока якоря n  f I a  , и
от электромагнитного момента n  f М  соответственно:
ri
U

Ia ;
CE Ф В CEФ В

(1)
ri
U

М,
C E Ф В C E C M Ф В2

(2)
n
n
где
r
i
– сумма собственного сопротивления обмотки якоря, и всех
включенных последовательно с ней сопротивлений.
При условии неизменности основного потока возбуждения
Ф В  const  характеристики, описываемые этими уравнениями, подобны, и представляют собой прямые линии, а момент прямо пропорционален току:
М  СМ Ф В I a ,
(3)
где величина СМФв представляет собой постоянный коэффициент
пропорциональности, определяемый по паспортным данным МПТ:
СМФв  9,55
Uном  I номra  I в 

 .
nном
 I в .ном 
(4)
2
При независимом возбуждении возможны следующие режимы:
двигательный, генераторного (рекуперативного) торможения; динамического торможения; торможения противовоключением. Признаком тормозных режимов является противоположное направление развиваемого МПТ момента и частоты вращения якоря. Характеристики
МПТ НВ в этих режимах располагаются в четырех квадрантах (рис.1).
Генераторное
(рекуперативное)
торможение
n
n0
Торможение
противовключением
Двигательный режим с
прямым направлением
вращения
1
6 Динамическое
4
торможение
rдоб > 0
3
Iа.к (Мк)
5
Iа (М)
Динамическое
торможение
rдоб > 0
Двигательный режим с
обратным направлением
вращения
Торможение
противовключением
2
Генераторное (рекуперативное)
торможение
Рисунок 1 – Характеристики МПТ НВ в различных режимах работы
Характеристика 1 при
r
доб
называется естественной, распо-
лагается в 1-м квадранте, и продолжается во 2-м и 4-м квадрантах. Ее
координаты определяются двумя точками. На оси абсцисс это точка с
координатами I a  0 ; M  0  и частотой вращения идеального холостого хода, которая равна:
3
n0  nном
Uном
.
Uном  I а .номra
(5)
Вторая точка соответствует моменту пуска двигателя, который,
эквивалентен режиму короткого замыкания обмотки якоря. При этом:
n  0 ; I a  I a .к  U ном ra ; М  Мпуск  СМФВI a.к .
(6)
Участок характеристики, заключенный между этими точками,
соответствует двигательному режиму работы с прямым направлением вращения, продолжение ее во 2-м квадранте − генераторному (рекуперативному) торможению, продолжение в 4-м квадранте (на рис.
3.2 не показано) − торможению противовключением. Характеристика
2, расположена в 3-м квадранте, продолжается во 2-м и 4-м квадрантах, является зеркальным отображением характеристики 1, и соответствует обратному направлению вращения якоря МПТ. Искусственную
характеристику 3 получают путем введения в цепь якоря добавочных
сопротивлений. Аналогично характеристике 1 она располагается в 1-м
(двигательный режим), 2-м (генераторное торможение), и 4-м (торможение противовключением) квадрантах. Увеличение наклона характеристики приводит к изменению второй координаты:
I a .к 
Uном
;
ra  rдоб
M к  С М Ф В I a .к .
(7)
Характеристика 4 является зеркальным отображением характеристики 3, и описывает те же режимы работы, но при обратном
направлении вращения машины в режиме двигателя.
Характеристики 5 и 6 соответствуют режиму динамического
торможения при отсутствии (5) и наличии (6) добавочного сопротивления в цепи якоря. При динамическом торможении обмотка якоря
замыкается на сопротивление, и ток в ней изменяет направление. Одна
координата всего семейства характеристик находится в начале координат, а вторая определяется по формулам:
n  n нач ;
Ia  
E
С Ф n
 Е В нач ,
ra  rдоб
ra  rдоб
где nнач − частота вращения в момент начала торможения.
(8)
4
В двигательном режиме работы направление электромагнитного момента совпадает с направлением частоты вращения, ток потребляется из сети.
Режим рекуперативного торможения возникает, если под действием внешнего момента частота вращения якоря превысит частоту
идеального холостого хода. Для исследований этого режима в лабораторных условиях необходимо, чтобы нагрузочная машина работала в
режиме двигателя. Направление вращения якоря исследуемой и нагрузочной машин должно быть одинаковым, а частоту вращения с помощью нагрузочной машины нужно увеличить таким образом, чтобы
она стала больше частоты идеального холостого хода исследуемой
машины, момент ИМ при этом изменяет знак на противоположный.
Торможение противовключением достигается в том случае, если: 1 – под действием внешнего момента направление вращения якоря изменится на противоположное (характеристика является продолжением двигательного режима в четвёртом квадранте); 2 – в результате изменения полярности тока якоря по отношению к магнитному потоку при вращающемся якоре развиваемый машиной момент становится противоположным по знаку направлению вращения (характеристика является продолжением двигательного режима с обратным
направлением вращения во втором квадранте). Если питание якоря не
отключить, когда частота вращения уменьшится до нуля, машина перейдёт в двигательный режим с обратным направлением вращения.
Для ограничения тока при торможении противовключением в цепь
якоря добавочное сопротивление. Для исследования этого режима
необходимо включить нагрузочную машину таким образом, чтобы
направление вращения якоря у неё было противоположным по отношению к исследуемой машине, а развиваемый ею момент превышал
момент исследуемой машины.
Динамическое торможение осуществляется путём отключения
обмотки якоря от питающей сети и быстром замыкании её на тормозное сопротивление при неизменном потоке возбуждения. Вращающий
момент изменяет знак на противоположный. При исследовании режима динамического торможения поток возбуждения остается неизменным, а якорь исследуемой машины отключается от источника питания, замыкается на тормозное сопротивление, и приводится во вращение с помощью нагрузочной машины.
Схема экспериментальной установки для исследования этих режимов показана на рис. 2.
5
= 220 В
1
mA
A
Ш1
3
rn2
rВ
Ш2
Я1
2
Я2 (Д1)
rn1
Д2
нагрузочная
машина
Ш1
Ш2
rВ
1
2
V
= 0 …220 В
Рисунок 2 – Схема установки для экспериментальных исследований
характеристик МПТ НВ в различных режимах работы
2. Порядок выполнения работы
2.1. Записать паспортные данные исследуемой электрической машины. Произвести необходимые расчёты и построить скоростные характеристики для различных режимов работы машины, как это показано
на рис. 1. Поток возбуждения и напряжение принять равными номинальным значениям, добавочное сопротивление измерить, а сопротивление якоря рассчитать по формуле:
ra  0,51  ном U ном I а .ном .
2.2. Подготовить стенд к работе, для чего:
6

установить переключатель пускового реостата в крайнее левое
положение (максимальное сопротивление);
 установить рукоятки регуляторов тока возбуждения ИМ и НМ в
крайнее правое положение (максимальный ток возбуждения);
 установить с помощью фазорегулятора минимально возможное
напряжение.
2.3. Собрать схему изображённую на рис. 2, (не подключая вначале
исследуемую машину к источнику питания!) Произвести пробный
пуск нагрузочной машины и определить направление её вращения
2.4. Подключить питание к исследуемой машине и произвести её
пробный пуск (не включая нагрузочную машину!). Направление вращения машин должно быть одинаковым. В противном случае следует
изменить полярность обмотки якоря или обмотки возбуждения исследуемой машины и повторить опыт.
2.5. Постепенно повышая напряжение на зажимах НМ и увеличивая
обороты, произвести замеры тока и частоты вращения:

в двигательном режиме (ток положителен, частота вращения
меньше частоты вращения идеального х.х.);
 в режиме идеального холостого хода (частота вращения равна частоте идеального х.х., ток равен нулю);
 в генераторном режиме (частота вращения превышает частоту
идеального х.х., ток изменяет знак).
2.6. Ввести в цепь якоря исследуемой машины максимальное добавочное сопротивление и изменить направление её вращения
2.7. Уменьшить подводимое к якорю нагрузочной машины напряжение до минимума и произвести пуск. Постепенно повышая напряжение, добиться снижения частоты вращения до нуля и затем перевести
исследуемую машину в режим торможения противовключением.
Произвести необходимые измерения.
2.8. Якорь исследуемой машины отключить от источника питания и
замкнуть на тормозное сопротивление, оставив при этом включенной
обмотку возбуждения. Постепенно увеличивая напряжение, подводимое к нагрузочной машине, произвести измерения тока и частоты
вращения в режиме динамического торможения.
2.9. Характеристики, полученные опытным путем, построить на том
же графике, что и расчетные. Сделать выводы.