Лабораторная работа №1
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ
И МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА.
Цель работы
1. Опытное определение электромеханических и механических характеристик электродвигателя.
2. Оценка свойств электродвигателя по его электромеханическим и механическим характеристикам.
3. Приобретение практических навыков по эксплуатации электроприводов постоянного тока.
Схема лабораторной установки
 |
Рис. 1.1. Схема электрическая лабораторной установки.
Электрическая схема лабораторной установки (рис. 1.1) включает исследуемый двигатель постоянного тока параллельного возбуждения М и нагрузочный генератор постоянного тока независимого возбуждения G, используемый в качестве исполнительного механизма. С помощью генератора создается нагрузочный момент для исследуемого двигателя. Исследуемый двигатель запускается при помощи магнитной станции.
Назначение остальных элементов электрической схемы и их использование поясняется в процессе описания работы.
Описание работы
При проведении лабораторной работы снимаются показания приборов, по которым рассчитываются, а затем строятся графики электромеханических и механических характеристик исследуемого двигателя.
Электромеханической характеристикой называется зависимость между угловой скоростью и током якоря.
Механической характеристикой называется зависимость между угловой скоростью и вращающим моментом двигателя.
Аналитические выражения для характеристик выводятся из уравнений:
(1.1)
где U – напряжение сети питания;
Iа м – ток якоря;
М – электромагнитный момент;
Ω – угловая скорость якоря;
Еа м – противо-ЭДС якоря;
R м – сопротивление цепи якоря;
Ф – магнитный поток.
Уравнение электромеханической характеристики:
. (1.2)
Уравнение механической характеристики:
. (1.3)
Если U, Ф, R м= const, то зависимости (1.2) и (1.3) представляют уравнения прямых линий.
Различают естественную и искусственные характеристики. При включении сопротивления последовательно с обмоткой якоря (в данном случае - R п) получаем искусственную реостатную характеристику. При ослаблении магнитного потока введением сопротивления в цепь возбуждения (в данном случае - R вм) получаем искусственную характеристику при неноминальном потоке. Искусственными также будут характеристики при отклонении напряжения сети от номинального значения.
Положение характеристики на графике можно определить по двум параметрам: по положению точки идеального холостого хода и по наклону характеристики, определяемому коэффициентом перед Iа м и М соответственно в выражениях (1.2) и (1.3).
, 
. (1.4)
Примерный вид характеристик для случаев изменения сопротивления цепи якоря R м и магнитного потока Ф приведен на рис. 1.2.
 |
Рис. 1.2. Механические характеристики исследуемого электродвигателя и исполнительного механизма.
Разнообразие искусственных характеристик определяет собой широкие возможности в управлении электроприводом постоянного тока. Путем использования режимов работы двигателя на искусственных характеристиках обеспечивают плавный пуск двигателя, регулирование его угловой скорости в широких пределах, реверсирование с хода и тормозные режимы. Регулирование и тормозные режимы в работе не рассматриваются. Для снятия характеристик экспериментальным путем по окончании пуска устанавливают постоянные параметры U, Ф, R м. Используя нагрузочный генератор G, создают на исследуемом двигателе М с момент сопротивления, т.е. нагружают его. Изменяя величину момента сопротивления, фиксируют показания приборов для нескольких (3…4) значений нагрузки. Эти данные используются для построения характеристик в координатных плоскостях Ω, Iа м и Ω, М.
Характерными точками характеристик являются точки идеального холостого хода (Ω=Ω0; Iа м=0), (Ω=Ω0; М =0) и тока короткого замыкания (Ω=0; Iа м= Iа мк), (Ω=0; М = М к).
В точке идеального холостого хода:
, (1.5)
напряжение, подводимое к электродвигателю, уравновешивается ЭДС, т.е.
,
при этом 
. (1.6)
В точке короткого замыкания Ω=0 и Еа м=0, при этом
. (1.7)
Если сопротивление R п=0, то ток Iа мк велик (Iа мк≈15…20 Iа мн) и машина оказывается в аварийном режиме – на коллекторе образуется круговой огонь. Снять экспериментальную точку короткого замыкания можно только при введенном сопротивлении R п≠0, т.е. только на искусственной реостатной характеристике.
Экспериментальным путем характеристики снимаются при фиксированных значениях параметров U, Ф, R м. На практике эти параметры могут изменяться в процессе работы двигателя, что часто используется для перевода работающего двигателя с одной характеристики на другую, благодаря чему осуществляется управление двигателем. Например, при работе двигателя на естественной характеристике может быть увеличено сопротивление R п или уменьшен магнитный поток Ф.
В силу инерции скорость мгновенно (скачком) измениться не может, но при этом уже нарушается электрическое и магнитное равновесие: скачком изменяется ток якоря и его электромагнитный момент. Эти изменения происходят в соответствии с зависимостями:
и приводят к нарушению механического равновесия согласно уравнению движения
. (1.8)
Следующие за этим изменения скорости 
приводят к восстановлению равенства моментов (
) при другом, изменившемся значении скорости. Если известны характеристики, т.е. построены их графики, то переход с одной характеристики на другую можно описать графически. Этим пользуются в теории электропривода, когда рассматриваются такие переходы. Пример графического описания перехода с естественной характеристики (точка «а») на искусственную реостатную (точка «
»), осуществляемый с целью регулирования скорости, показан на рис. 1.2.
Порядок выполнения работы
В результате выполнения работы должны быть сняты опытным путем и построены:
- естественные электромеханическая и механическая характеристики электродвигателя для двигательного режима;
- искусственные электромеханические и механические характеристики электродвигателя для двигательного режима при включении в цепь якоря двух различных по величине сопротивления резисторов;
- искусственная электромеханическая и механическая характеристики при ослабленном магнитном потоке.
Для этого необходимо:
1. Ознакомиться с параметрами электрических машин, приборов и аппаратов. В соответствии с этими параметрами определить предельные значения токов и напряжений, контролируемых по приборам, записать их в бланк отчета (таблица 1.1).
2. Собрать электрическую схему установки согласно рис. 1.1. Предъявить схему для проверки преподавателю, получить разрешение на пуск и приступить к работе.
3. Запустить исследуемый двигатель параллельного возбуждения при выведенных резисторах в обмотке возбуждения (R вм=0) и якоря (R п=0) с ненагруженным генератором. Убедиться в исправной работе электрических машин и правильности показания приборов. Снять точку реального холостого хода (n xx, Iа м0) на естественной электромеханической характеристике.
4. Снять естественную электромеханическую характеристику n = f (Iа м) при Uа м= U н, Ф = Ф н, R п=0. Для чего:
- подключить к нагрузочному генератору резистор R нг с сопротивлением R нг1;
- записать показания приборов Uа м, Iа м, I вм, U г, I г и n;
- уменьшая сопротивление резистора R нг до значения равного R нг2 и R нг3, снять еще две точки характеристики.
5. Снять две искусственные (реостатные) электромеханические характеристики, для чего:
- разгрузить нагрузочный генератор (отключить резистор R нг);
- ввести в цепь якоря исследуемого двигателя резистор R п с сопротивлением R п1;
- снять точку реального холостого хода (n xx, Iа м0) на реостатной характеристике;
- подключить к нагрузочному генератору резистор R нг с сопротивлением R нг1;
- записать показания приборов: Uа м, Iа м, I вм, U г, I г и n;
- изменяя сопротивление резистора R нг до значений R нг2 и R нг3, снять еще две точки характеристики;
- поступая аналогичным образом, снять искусственную (реостатную) электромеханическую характеристику при сопротивлении в цепи якоря исследуемого двигателя равном R п2.
6. Снять искусственную электромеханическую характеристику при ослабленном магнитном потоке. Напряжение на якоре исследуемого двигателя номинальное Uа м= U н, резистор R п выведен, его сопротивление R п=0, а ток возбуждения уменьшен до значения (0,6…0,75) I вмн. Методика снятия характеристики соответствует п.4. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1.2.
7. Построить электромеханические и механические характеристики двигателя по опытным и расчетным данным и проанализировать их.
8. Результаты работы предъявить руководителю занятия и с его разрешения лабораторную установку привести в исходное состояние.
5. Примерное содержание отчета
Отчет по работе должен содержать:
1. Электрическую схему лабораторной установки.
2. Таблицу с техническими данными электрических машин и измерительных приборов.
3. Таблицу с опытными и расчетными данными.
4. Электромеханические и механические характеристики электродвигателя.
5. Анализ электромеханических характеристик и выводы по работе.
Вопросы для проверки
1. Определение естественной и искусственной электромеханической характеристик электродвигателя.
2. Виды искусственных характеристик, способы их получения.
3. Использование искусственных характеристик при управлении двигателем.
4. Влияние наклона механической характеристики на экономичность работы на ней.
5. Физический смысл точек идеального холостого хода и короткого замыкания (точки стоянки).
Расчетные формулы.
Генератор, как нагрузка, обладает линейной механической характеристикой
М с= М 0+ М г= М 0+ с Ω. (1.9)
Действительно, ток якоря генератора:
. (1.10)
Электромагнитная мощность генератора:
. (1.11)
При этом момент генератора прямо пропорционален скорости
, (1.12)
где 
.
Т а б л и ц а 1.2
| ЭМХ, МХ ЭД | № п/п | Основные данные | Расчетные данные | |||||||
| Uа м, В | Iа м, А | I вм, А | U г, В | I г, А | n, об/мин | P г, Вт | Ω, 1/сек | М, Нм | ||
| Естественная | ||||||||||
| Реостатная 1 | ||||||||||
| Реостатная 2 | ||||||||||
| Искусственная при ослабленном Ф | ||||||||||
Кроме тормозного электромагнитного момента генератора на вал двигателя действует момент сопротивления холостого хода:
, (1.13)
где 
- напряжение и ток якоря двигателя, работающего с ненагруженным генератором, 
- скорость реального холостого хода. Таким образом, момент на валу двигателя может быть вычислен по формуле
, (1.14)
где Р г= U г I г+ I г2 Rа г (Rа г – берется из каталожных данных на генератор), Ω= πn /30.