ИССЛЕДОВАНИЕ РЕГУЛИРОВОЧНЫХ СВОЙСТВ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА С НЕЗАВИСИМЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
Ижевск, 2020
Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕГУЛИРОВОЧНЫХ СВОЙСТВ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА С НЕЗАВИСИМЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
1. Изучение способов регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением:
- снять и построить естественную и искусcтвенную скоростные характеристики двигателя n = f (I яд) при изменении величины активного сопротивления в цепи якоря двигателя, при изменении напряжения на зажимах якоря двигателя и при изменении магнитного потока обмотки возбуждения.
2. Провести анализ регулировочных свойств для каждого способа регулирования скорости, для чего определить: диапазон регулирования; плавность регулирования; направление, в котором регулируется скорость; жесткость естественной и искусственных скоростных характеристик.
3. Построить тормозные характеристики для двигателя постоянного тока с независимым возбуждением, учитывая самые благоприятные условия торможения.
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Регулированием скорости называется принудительное изменение скорости (частоты) вращения электропривода при постоянной нагрузке в зависимости от технологического процесса. Понятие регулирования скорости не следует смешивать с естественным изменением скорости, возникающим в электроприводах в связи с изменением нагрузки на валу работающей машины. Регулирование скорости осуществляется дополнительным воздействием на приводной двигатель или систему передач к производственному механизму. Это воздействие может быть произведено человеком или от специального автоматического устройства.
Регулирование скорости вращения производственного механизма может быть произведено механическим путем при помощи ступенчатых шкивов, набора шестерен, фрикционных регулируемых передач и других механических устройств.
Основными показателями, характеризующими различные способы регулирования электроприводов, являются: 1) диапазон или пределы регулирования; 2) плавность; 3) экономичность; 4) жесткость характеристики (стабильность работы на заданной (скорости); 5) направление, в котором регулируется скорость (уменьшение или увеличение ее относительно номинальной скорости вращения); 6) допустимая нагрузка при различных скоростях.
1. Диапазон или пределы регулированияскорости определяются отношением максимальной wмакс частоты вращения к минимальной wмин частоте вращения, которые могут быть получены при работе привода:
D = wмакс: wмин
Обычно D выражается в числах (например, 2:1, 4:1, 10:1, 20:1 и т.д.). Современные системы регулируемых электроприводов с обратными связями позволяют существенно расширить диапазон регулирования скорости вращения. Например: главные механизмы металлорежущих станков в зависимости от их назначения работают с пределами регулирования D = (4:1) – (100:1) и выше; для механизмов подач универсальных станков требуется диапазон до 1000:1 и выше. При изготовлении бумаги для газет бумагоделательная машина работает с пределами регулирования D = 3:1; а при изготовлении высших сортов бумаги D = 20:1.
2. Плавность регулирования характеризуется числом устойчивых скоростей, получаемых в данном диапазоне регулирования. Коэффициент плавности kпл может быть определен отношением двух соседних значений скоростей при регулировании:
kпл = w i /w i – 1
где w i и w i – 1 - скорости соответственно на i –й и (i – 1) –й ступенях регулирования.
Плавность тем выше, чем меньше скачок скорости при переходе от данной скорости к ближайшей возможной. Чем больше скоростей в заданных пределах регулирования, тем выше плавность регулирования.
Плавный переход с одной ступени регулирования на другую во многих случаях определяет качество продукции. В практике электропривода наименьшей плавностью регулирования обладают двухскоростные короткозамкнутые асинхронные двигатели. Значительная плавность регулирования скорости достигается, например, в двигателе постоянного тока при регулировании изменением магнитного потока или подводимого к якорю напряжения.
3. Экономичность регулируемого привода характеризуется затратами на его сооружение и эксплуатацию. Необходимо отметить, что экономически выгодным оказывается такой регулируемый электропривод, который обеспечивает большую производительность приводимого им в движение механизма при высоком качестве технологического процесса и сравнительно быстро окупается.
При оценке экономичности регулируемого электропривода следует принимать во внимание надежность его в эксплуатации, а также учитывать дефицитность материалов и оборудования, затрачиваемых на сооружение того или иного привода. При оценке экономичности существенное значение имеет величина потерь энергии в процессе регулирования. Потери мощности å Р, возникающие при регулировании скорости, определяют к.п.д. привода
где P 2 - мощность на валу двигателя.
При работе двигателя в равные промежутки времени на разных скоростях вращения, следует подсчитывать, так называемый средневзвешенный к.п.д. за регулировочный цикл, состоящий из m ступеней, по выражению
Из этого соотношения следует, что при известных условиях работы электропривода к.п.д. за цикл может оказаться значительно выше к.п.д. какой-либо ступени скорости.
Потери энергии при регулировании скорости различны для разных способов регулирования. Они сравнительно велики в системах, где регулирование ведется в главных цепях машин, и значительно ниже при регулировании в цепях возбуждения.
4. Стабильность работы на заданной скорости (жесткость характеристики) определяется изменением скорости вращения при заданном отклонении момента нагрузки и зависит от жесткости механических характеристик. Чем больше жесткость характеристик, тем стабильнее работает электропривод.
Если при регулировании скорости жесткость характеристик изменяется, то и величина колебаний скорости около заданной точки тоже будет изменяться
5. Направление, в котором регулируется скорость, т.е. уменьшение ее или увеличение по отношению к номинальной. Номинальная скорость вращения соответствует номинальному напряжению и номинальному магнитному потоку. Эта скорость получается также в том случае, когда в цепях двигателя нет никаких внешних сопротивлений, т.е. точка wном находится на естественной механической характеристике.
При регулировании с помощью сопротивления в цепи якоря двигателя постоянного тока или в цепи ротора асинхронного двигателя скорость вращения в двигательном режиме при данной нагрузке по мере увеличения сопротивления уменьшается. Это означает, что регулирование изменением сопротивления может быть осуществлено только вниз от номинальной скорости.
Напротив, регулирование уменьшением магнитного потока ведет в пределах номинальных нагрузок к увеличению скорости, т.е. в этом случае осуществляется регулирование вверх от номинальной скорости.
6. Допустимая нагрузка двигателя при регулировании скорости зависит и от способа регулирования.
Изменение нагрузочного момента в зависимости от скорости у разных производственных механизмов различно. Так, например, многие механизмы требуют регулирования при постоянстве момента. К ним относятся: подъемные краны, лебедки, некоторые прокатные станы и т.п. С другой стороны, существуют механизмы, у которых регулирование скорости производится с постоянной мощностью. В качестве примеров подобного механизма можно привезти токарный, станок у которого в процессе обработки данной детали нежелательно поддержание постоянства линейной скорости (или скорости резания) и усилия резания. При этих условиях произведение скорости резания на усилие даст постоянство мощности. Поддержание постоянства скорости резания достигается плавным регулированием скорости вращения электропривода.
Принципиально путем выбора соответствующей мощности двигателя можно удовлетворить любому изменению нагрузочного момента или мощности при регулировании скорости. Однако в этом случае регулирование скорости двигателя может оказаться неэкономичным, так как двигатель на разных скоростях будет использован неодинаково и при работе на некоторых из них он будет недогружен.
Недогрузка двигателя ведет к ухудшению эксплуатационных показателей привода, так как при этом уменьшается к.п.д. двигателя, а при переменном токе, кроме того, уменьшается и коэффициент мощности. Желательно поэтому применить такой способ регулирования, при котором двигатель был бы по возможности полностью загружен на всех скоростях.
Допустимая нагрузка двигателя ограничивается степенью его нагрева. Степень нагрева в свою очередь зависит от потерь энергии в двигателе при работе, а последние определяется главным образом величиной тока, потребляемого двигателем.
Таким образом, можно придти к выводу, что условием полного использования двигателя при работе на разных регулировочных характеристиках является постоянство величины нагрузочного тока. Если при работе на всех характеристиках величина тока будет равна величине номинального тока двигателя, то это и будет означать, что двигатель загружен полностью на всех скоростях. При этом предполагается, что условия охлаждения двигателя неизменны, как при больших, так и при малых скоростях. Допустимая нагрузка при работе на регулировочных характеристиках определяется величиной номинального тока и для разных способов регулирования будет различной.
Рассмотрим в качестве примера двигатель постоянного тока независимого возбуждения. Он может иметь две зоны регулирования, как показано на рис. 2. Первая зона отвечает регулированию с постоянным моментом. Действительно, если регулирование осуществляется изменением сопротивления или напряжения в главной цепи при неизменном магнитном потоке, то при номинальном токе якоря величина момента будет постоянной, т.к.
M = k ФdIН = const
Мощность на валу двигателя в этой зоне изменяется по линейному закону, так как она пропорциональна скорости
Р2 = Mw
Вторая зона отвечает регулированию с постоянной мощностью, когда оно производится изменением магнитного потока двигателя.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Система генератор-двигатель (Г-Д) состоит из двух машин постоянного тока с механически соединенными валами (рис. 7). Машина Д выполняет функцию двигателя, а машина Г – генератора. Генератор Г нагружается с помощью нагрузочного сопротивления Rнг. На одном валу с машинами Ги Д установлен тахогенератор ТГ, используемый как датчик частоты вращения n.
Индуктируемая ЭДС датчика, линейно зависящая от частоты вращения вала, фиксируется вольтметром Vn, проградуированном в об/мин. Обмотки возбуждения электрических машин на рис. 7 не показаны. Питание системы Г-Д (рис. 8 и 9) осуществляется от блока питания БП, подключенного к сети трехфазного напряжения (Uл = 380 В, f = 50 Гц).
Блок питания БП содержит магнитный пускатель МП, кнопочную станцию КнП (кнопка “Пуск”) и КнС (кнопка “Стоп”) и однофазные понижающие трансформаторы Тр1 и Тр2 (380/127 В). С выхода трансформатора Тр1 напряжение подается на входные зажимы лабораторного автотрансформатора ЛАТР, выходное напряжение которого регулируется ручкой “Рег. Uяд ” и поступает через мостовой выпрямитель в цепь якоря двигателя Д. Контроль напряжения и тока в цепи якоря двигателя осуществляется вольтметром Uяд и амперметром Iяд. Введение дополнительных резисторов R 1, R 2, R 3 в цепь якоря двигателя осуществляется с помощью переключателей Rяд .
Рис. 3 Функциональная схема системы Г-Д
Выходное напряжение трансформатора Тр2 поступает на входные зажимы управляемых тиристорных выпрямителей УВ1 и УВ2.Напряжение на выходе УВ1 регулируется ручкой “Рег. Uвд ” и подается на обмотку возбуждения двигателя ОВД, контроль напряжения и тока в которой осуществляется вольтметром и Uвд амперметров Iвд. Напряжение на выходе УВ2 регулируется ручкой “ Рег. Uвг “ и подается в цепь возбуждения генератора ОВГ через двухполюсный ключ S 1 (S 11, S 12). Положение ключа S “параллельное возбуждение “ соответствует параллельному подключению к цепи якоря генератора обмотки возбуждения ОВГ, а в положении ключа S ”Независимое возбуждение” напряжение Uвг подается только в цепь возбуждения ОВГ. Измерение тока и напряжения в цепи якоря генератора осуществляется амперметром Iяг и вольтметром Uяг, по приборам Iвг и Uвг определяются напряжение и ток в цепи возбуждения генератора ОВГ. Нагрузочные сопротивления в цепь якоря генератора включаются с помощью переключателей Rнг (7 ступеней).