Цель работы.
Освоение методики снятия основных характеристик и изучение способов регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока.
Краткое описание лабораторной установки.
 |
Исследуемый двигатель соединен с помощью муфты с нагрузочным генератором постоянного тока (рис. 3.1). Машины расположены рядом со щитом, на который выведены концы всех обмоток двигателя и генератора. На щите установлены, также, измерительные приборы: пусковой Rп и регулировочный Rp реостаты, вводимые в цепи якоря и возбуждения двигателя; выключатель QS, находящийся в цепи возбуждения генератора; пакетные выключатели ламповой нагрузки.
У реостатов поворот рукоятки по часовой стрелке соответствует уменьшению сопротивления.
Пояснения к лабораторной работе.
Основными характеристиками двигателя постоянного тока считаются электромеханическая (внешняя) 
и механическая 
, снимаемые при неизменных значениях напряжения сети U и тока возбуждения iв.
Из известного уравнения электрического состояния цели якоря двигателя
| (3.1) |
с учетом равенства 
выводится выражение для электромеханической характеристики:
 ,
| (3.2) |
справедливое для двигателя с любым возбуждением.
В лабораторной работе исследуется двигатель параллельного возбуждения со стабилизирующей обмоткой, предназначенной для поддержания полезного потока машины приблизительно постоянным при изменении нагрузки в рабочем диапазоне. В таком случае 
, и выражение (3.2) представляет собой в первом приближении уравнение прямой линии:
 ,
| (3.3) |
где w0 – частота идеального холостого хода, рад/с,
kI – коэффициент, характеризующий угол наклона электромеханической характеристики (рис. 3.2.б).
Учитывая, что 
, можно получить аналитическое выражение механической характеристики, имеющей большое значение для инженера-эксплуатационника:
 .
| (3.4) |
Если поток двигателя неизменен, выражение (3.4) можно привести к виду:
 ,
| (3.5) |
 |
где kМ – коэффициент, характеризующий угол наклона механической характеристики (рис. 3.2.а).
Точка на механической характеристике, соответствующая установившемуся режиму работы, определяется на основе уравнения движения привода
 ,
| (3.6) |
которое можно прочитать так: если электромагнитный момент двигателя М равен моменту сопротивления нагрузки МС, ускорение 
равно нулю и ротор вращается с установившейся скоростью (величина J в формуле (3.6) – момент инерции ротора с приведенным к ротору моментом инерции механизма – не может быть равна нулю). Значит, установившаяся работа будет наблюдаться при выполнении равенства 
, то есть в точке пересечения механической характеристики двигателя и механической характеристики нагрузки.
На рисунке 3.2.а показано, что момент нагрузки может оставаться неизменным при изменении частоты вращения – МС1 (грузоподъемный механизм), может возрастать с ростом частоты – МС2 (вентилятор, винт, некоторые виды насосов) – в любом случае частота, с которой будет работать двигатель при данной нагрузке на валу, определяется точкой пересечения механических характеристик.
Из рисунка 3.2.а видно, что двигатель работает с частотой wр, развивая момент Мр. Используя электромеханическую характеристику, полученной рабочей частоте можно поставить в соответствие рабочий ток якоря Iа р (рис. 3.2.б).
Подобрав соответствующий масштаб по оси абсцисс, можно изобразить механическую и электромеханическую характеристики одной линией (рис. 3.3). Такое расположение характеристик удобно и распространено, однако, используя его, следует помнить, что нагрузкой двигателя является момент на его валу, а потребляемый из сети ток якоря – величина производная, зависящая при данном моменте от потока машины (В.4).
Непосредственное измерение электромагнитного момента очень затруднительно, поэтому, как правило, и в лабораторной работе в том числе, его определяют опосредованно, через ток якоря и частоту вращения ротора:
 .
| (3.7) |
В формулах (3.7) n – частота вращения ротора, об/мин; ЭДС Е может быть найдена из выражения (3.1).
Если механическая и электромеханическая характеристики, изображенные на рисунке 3.2 сняты при номинальных значениях напряжения U, потока Ф и отсутствии в якорной цепи добавочных сопротивлений, они называются естественными. При изменении любого из перечисленных параметров положение характеристик также изменится, точка пересечения с характеристикой нагрузки станет другой, соответствующей новой частоте вращения. Изменение частоты вращения ротора, происходящее вследствие изменения положения механической (электромеханической) характеристики двигателя, называется регулированием частоты вращения. Характеристики, полученные при неноминальных значениях напряжения на якоре, потока и сопротивления якорной цепи называются искусственными. Таким образом, у двигателя существует единственная естественная механическая (электромеханическая) характеристика и бесконечно большое множество искусственных механических (электромеханических) характеристик. Изменение скорости двигателя, происходящее вследствие изменения нагрузки, регулированием скорости не является.
Как следует из формул (3.2) и (3.4), существует три способа регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока: введение сопротивления в якорную цепь, изменение напряжения на якоре и изменение потока.
При введении в якорную цепь добавочного сопротивления Rп уравнения механической и электромеханической характеристик принимают вид:
 .
| (3.8) |
Это значит, что коэффициенты, определяющие наклон характеристик kM и kI увеличивается и наклон характеристик возрастает. Так как изменение коэффициентов в обоих выражениях происходит в равной мере, изменение наклона характеристик будет одинаковым и их можно изображать в совмещенных координатах (рис. 3.4). На частоту идеального холостого хода введение сопротивления в якорную цепь не оказывает влияния.
Из рисунка 3.4 видно, что при неизменной нагрузке на валу введение сопротивления в якорную цепь не оказывает влияния на ток якоря. Формула (В.4) объясняет это: при неизменном потоке якоря ток якоря зависит только от момента на его валу и не зависит от сопротивления якорной цепи.
Напряжение U в формулах (3.2) и (3.4) есть напряжение на якоре двигателя, поэтому для регулирования частоты вращения изменением напряжения схема соединения обмоток должна предусматривать независимое возбуждение двигателя. Поскольку увеличивать напряжение на якоре сверх номинального значения не допускается, изменение напряжения возможно только в сторону уменьшения. Если обозначить уменьшенное напряжение на якоре машины U', аналитические выражения механической и электромеханической характеристик примут вид:
 .
| (3.9) |
Из формул (3.9) следует, что при уменьшении напряжения на якоре уменьшается частота идеального холостого хода, а наклон характеристик остается неизменным (рис. 3.5). То есть искусственные характеристики смещаются вниз параллельно естественной. Как и в случае с изменением сопротивления якорной цепи, изменение напряжения на якоре при неменяющейся нагрузке на валу не приводит к изменению тока якоря. Действительно, в соответствии с формулой (В.4) развиваемый двигателем электромагнитный момент не зависит от напряжения на его якоре.
Из-за того, что магнитная цепь машины общего назначения в номинальном режиме насыщена, ее поток практически невозможно увеличить. С целью регулирования частоты вращения поток двигателя уменьшают, вводя сопротивление в цепь шунтовой обмотки или уменьшая напряжение на ней. Если обозначить уменьшенный поток машины Ф', аналитические выражения механической и электромеханической характеристик примут вид:
 .
| (3.10) |
Анализируя формулы (3.10), можно заключить, что уменьшение потока ведет и к увеличению частоты идеального холостого хода, и к увеличению наклона механических и электромеханических характеристик. Поскольку формула коэффициента kM содержит вторую степень потока, а формула kI – первую степень, наклон механической и электромеханической характеристик изменяется в разной мере, и совместить семейство этих характеристик в общих координатах оказывается невозможно (рис.3.6).
 |
На рисунке 3.6.а изображены естественная и две искусственные механические характеристики двигателя, полученные при ослаблении потока. Момент на валу двигателя не зависит от частоты вращения и равен Мр. Пересечение механических характеристик с характеристикой момента дает рабочие частоты вращения wр1, wр2 и wр3. Этим частотам по рисунку 3.6.б соответствуют рабочие токи Iр1, Iр2 и Iр3. Видно, что из-за разного наклона механических и электромеханических характеристик ток на каждой новой ступени регулирования оказывается больше, чем на предыдущей. Увеличение тока можно объяснить и при помощи формулы (В.4): при уменьшающемся магнитном потоке неизменный по величине электромагнитный момент может быть обеспечен только за счет возрастания тока якоря. Эта особенность очень важна и накладывает на регулирование скорости изменением потока известные ограничения: способ должен применяться при одновременном снижении нагрузки на валу.