Н.И. УСЕНКОВ
СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЕ
ПО КУРСУ «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД»
Оренбург 2005
УДК 681.5.01(07)
ББК 31.291я73
У74
Рецензент
Нелюбов В.М., к.т.н. доцент кафедры «Электроснабжение», ОГУ
Усенков Н.И.
У74 Статические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения:Методические указания красчетно-графической работе. –Оренбург: ГОУ ОГУ, 2005.–29 с.
Методические указания предназначены для студентов электроэнергетического факультета очной, очно-заочной и заочной форм обучения.
ББК 31.291я73
Ó Усенков Н.И., 2005
Ó ГОУ ОГУ, 2005
Содержание
Задание к расчетно-графической работе…………………………… 4
Рекомендации к выполнению расчетно-графической работы……. 5
Исходные данные …………………………………………………….8
Введение……………………………………………………………….9
Регулирование частоты вращения двигателей……………….9
Пуск двигателей постоянного тока…………………………..10
Содержательное оформление расчетно-графической работы…….11
Заключение………………………………………………………… 19
Контрольные вопросы………………………………………………..20
Рекомендуемая литература для самостоятельной работы…………21
Приложение А – Варианты исходных данных
к расчетно-графической работе…………………………………… 22
Задание к расчетно-графической работе
1. Начертить принципиальную электрическую схему ДПТ независимого возбуждения.
2. Рассчитать и построить естественную электромеханическую характеристику n = f (I) заданного двигателя.
3. Рассчитать и построить искусственную электромеханическую характеристику n = f (I) заданного двигателя:
а) при введении в цепь якоря двигателя пускового сопротивления Rдоб = Rп, ограничивающего ток в цепи якоря двигателя при пуске предельно допустимой величиной Iдоп. Определить величину сопротивления Rп. (Напряжение, подводимое к якорю двигателя, номинальное U = Uном; магнитный поток статора двигателя номинальный Ф = Фном);
б) при введении в цепь якоря двигателя добавочного сопротивления Rдоб1 = К1 Rп; Rдоб2 = К2 ∙ Rп (U = Uном; Ф = Фном );
в) при ослаблении магнитного потока статора до величины Ф1 = К3 Фном; Ф2 = К4 ∙ Фном (U = Uном, внешнее сопротивление в цепи якоря Rдоб = 0);
г) при пониженном напряжении Uп, подводимом к якорю двигателя при пуске и обеспечивающем пусковой ток двигателя равным Iдоп определить величину этого напряжения Uп (Ф = Фном, Rдоб = 0);
д) при напряжении подводимом к якорю двигателя U1 = К5 ∙ Uном и U2 = К6 ∙ Uном (Ф = Фном, Rдоб = 0).
4. Рассчитать и построить естественную механическую характеристику двигателя n = f (M).
5. Рассчитать и построить искусственные механические характеристики двигателя n = f (M), соответствующие работе двигателя при условиях п.3 (б, в, д) задания.
6. Определить частоту вращения вала двигателя при его работе в условиях, соответствующих п.п.4 и 5 (б, в, г) и активном моменте статистического сопротивления Мс = К7 ∙ Мном. Сделать вывод о режиме работы машины (двигательный режим, режим торможения противовключением).
7. Рассчитать и построить механическую характеристику двигателя n = f (M), обеспечивающую при моменте статистического сопротивления Мс = К7 ∙ Мном частоту вращения ωс = Кg ∙ ωном . Регулирование осуществлять изменением подводимого к якорю двигателя напряжения U при Ф = Фном и отсутствии внешних добавочных сопротивлений. Определить величину этого напряжения.
8. Рассчитать и построить механическую характеристику двигателя n = f (M) при Мс и ωс указанных в п.7. Регулирование осуществлять изменением сопротивления Rдоб в цепи якоря при U = Uном и Ф = Фном. Определить величину регулировочного сопротивления Rдоб.
Примечание. Варианты исходных данных расчетно-графической работы приведены в таблицах 1 ÷ 6 Приложения А.
Рекомендации к выполнению расчетно-графической работы
Уравнение электромеханической характеристики двигателя
1. Принципиальная электрическая схема ДПТ (п.1 задания) выполняется в соответствии с требованиями ГОСТ 2.702 – 75 ЕСКД [9].
2. При расчетах и построениях использовать уравнение электромеханической характеристики двигателя [1, 2, 3]:
(1)
где ω – частота вращения вала двигателя, с-1;
U – напряжение подводимое к якорю двигателя, В;
Rя – сопротивление обмотки якоря двигателя, Ом;
Rдоб – внешнее добавочное сопротивление в цепи якоря двигателя, Ом;
I – ток якоря, А;
Ф – магнитный поток статора, Вб;
К – конструктивная постоянная машины [1];
- частота идеального холостого хода двигателя, с-1.
Параметр КФн, где Фн – номинальный магнитный поток статора, определяется по выражению:
(2)
Переход от частоты вращения n в об/мин к угловой скорости ω в рад/с (или с-1) осуществляется по выражению [1, 3, 5]:
(3)
Обратный переход осуществляется по выражению (4):
(4)
На графиках (рисунки 2, 3 и 4) электромеханических и механических характеристик при выполнении работы частоту вращения вала ДПТ выражать в об/мин.
Так как электромеханическая характеристика (1) представляет прямую линию, то ее построение возможно по двум любым значениям тока I к соответствующим значениям частот вращения n. Обычно задаются характерными значениями тока: I = 0 или I = I н (или I=Ic, где I c - ток соответствующий моменту статического сопротивления), иногда I= I доп.
3. Величина тока якоря двигателя может быть определена из уравнения электрического равновесия цепи якоря:
(5)
откуда 
(6)
При пуске ω =0 и Е = 0, тогда пусковой ток:
(7)
Этот ток при прямом включении двигателя в сеть (U=Uн, Rдоб=0) определится как Iп = Uн/Rя. Ток Iп в 10 ÷30 раз превышает номинальный ток двигателя Iн, что приводит к перегреву и разрушению изоляции, обгоранию щеток и коллектора, преждевременному выходу двигателя из строя. Повышенная величина тога якоря Iп может нарушить работу источника питания.
Пропорционально току увеличивается и пусковой электромагнитный момент двигателя Мп= К∙Фн∙Iп, который обусловлен значительными динамическими усилиями и может вызвать механические повреждения производственного механизма.
Указанные особенности требуют ограничивать ток якоря двигателя при пуске предельно допустимым значением Iдоп, определяемым, как было уже отмечено, предельными возможностями двигателя или требованиями производственного механизма: Iдоп = λ ∙ Iн, где λ – допустимая кратность пускового тока по отношению к номинальному Iн (см. табл.1-5).
Ограничение пускового тока двигателя
Ограничение тока двигателя до Iп = Iдоп практически возможно двумя способами (7):
1. Введением при пуске в цепь якоря двигателя сопротивления R доб:
. (8) (см. п. 3а задания)
2. Снижением при пуске напряжения на якоре U я до величины:
U я = U п = I доп R я. (9) (см. п. 3а задания)
Расчет электромеханических характеристик при ослабленном магнитном потоке выполняется по уравнению (1) с учетом изменения величины КФ:
К∙Фi = Кi / К ∙ Фн (10)
где Кi – расчетный коэффициент (табл.6), задающий кратность ослабления магнитного потока по отношению к Фн (см. п. 3в задания).
Уравнение механической характеристики двигателя
4. Расчет и построение механических характеристик двигателя n = f(M) (п.п.4,5 задания) целесообразно выполнить, используя взаимосвязь между током якоря и электромагнитным моментом двигателя:
М = К ∙ Фн ∙ I. (11)
Тогда с учетом уравнений (1) и (5) можно записать выражение для механической характеристики двигателя:
(11*)
При работе двигателя с ослабленным магнитным потоком
М = К ∙ Фi ∙ I (12)
5. При создании на валу ДПТ момента статического сопротивления Мс вал двигателя будет вращаться с угловой скоростью ω c (или n с), определяемой в установившемся режиме равенством электромагнитного момента двигателя М и момента сопротивления Мс, то есть М = Мс. На основании этого равенства необходимо в п.6 задания по кривым механических характеристик n= f(M) и Мc = const определить угловую скорость вращения вала ωс.
Если при М = Мc ωс > 0 (1-й квадрант механической характеристики, то машина работает в двигательном режиме. Если при М = Мc ωс < 0 (4-й квадрант), то машина находится в режиме торможения противовключением [1, 2, 3, 8].
6. Определение величины подводимого к якорю ДПТ напряжения
(п.7 задания) при заданных Ф = Фн и Rдоб = 0, при которых обеспечивается работа двигателя с угловой частотой ωс при Мc = const связано с решением системы уравнений (13 а, б):
(13а)
(13б)
[]7. Определение величины вводимого в цепь якоря двигателя добавочного сопротивления Rдоб (п. 8 задания) с целью обеспечения заданной скорости вращения вала ωс при неизменном значении момента статического сопротивления Мc при номинальных U = Uн и Ф = Фн связано с решением системы уравнений (13) относительно Rдоб:
(15)
8. Пояснительную записку расчетно-графической работы оформить на листах писчей бумаги (гладкая или в клетку) размером 297 х 210 мм [9]. Рассчитанные характеристики разместить на трех листах миллиметровой бумаги того же размера (см. графики на рисунках 2, 3 и 4).
9. При выполнении работы необходимо ознакомиться с сериями выпускаемых ДПТ независимого (параллельного) возбуждения и их назначением (п.3 Приложение А).
10. К защите расчетно-графической работы необходимо подготовить следующие вопросы из раздела "Электропривод постоянного тока" [1, 2, 3, 5, 8]:
- устройство и принцип действия двигателей постоянного тока;
- способы возбуждения двигателей постоянного тока;
– электромеханическая и механическая характеристика ДПТ (естественная и искусственные);
– пуск двигателя постоянного тока;
– основные способы регулирование частоты вращения ДПТ;
- тормозные режимы двигателей постоянного тока независимого возбуждения;
- серийные двигатели постоянного тока независимого и последовательного возбуждения и области их применения.
Исходные данные:
– тип двигателя ПН – 10;
– номинальная мощность Рн = 1 кВт;
– номинальное напряжение Uн = 220 В;
- номинальный ток якоря Iн = 6,1 А;
- номинальная частота вращения ηн = 1420 об/мин;
- сопротивление обмотки якоря Rя = 3,6 Ом;
– кратность предельного тока λ =2,5.
Расчетные коэффициенты:
K1 = 0,5; K2 = 2,5; K3 = 0,8; К4 = 0,5; K5 = 0,3; K6 = 0,7; K57 = 0,7 K8= 0,4.
Примечание. Поскольку в примере имеются ссылки на расчетные формулы раздела "Рекомендации к расчетно-графической работе", то в примере их общий вид не приведен. При выполнении расчетно-графической работы каждый пункт требует наличия расчетных формул в общем виде, расчетов по ним и необходимых пояснений.
Введение
Электрический привод – крупнейший потребитель электрической энергии, необходимой для работы машин и механизмов во всех отраслях народного хозяйства. Электропривод занимает ведущее положение в народном хозяйстве и потребляет около 2/3 всей производимой энергии в стране, что составляет примерно 1,5 млн кВт час.
Работа электропривода зависит от функционирования электрической машины. Поэтому так важно знать закономерности электромеханического преобразования электрической энергии в механическую, и наоборот, в процессе работы электропривода. При этом целесообразно разобраться в физических процессах, происходящих в электродвигателях при различных режимах их работы, математическом описании этих процессов для установления связи между электрическими и механическими параметрами электропривода, а также определения возможных путей управления электромеханическими процессами.
Регулирование частоты вращения двигателей
Для получения высокой производительности и требуемой точности (например, при обработке детали на станке), остановки исполнительного органа рабочей машины в нужном месте с заданной точностью и т.д. приходится принудительно изменять частоту вращения или скорость линейного перемещения исполнительного органа.
Принудительное изменение частоты вращения или линейного перемещения исполнительного органа производственной машины в соответствии с требованием технологического процесса называется регулированием скорости.
При использовании в электроприводе двигателей постоянного тока независимого возбуждения частоту вращения можно регулировать следующим образом:
– изменением сопротивления цепи якоря двигателя (реостатное регулирование);
– изменением значения магнитного потока обмотки возбуждения (полюсное регулирование);
– изменением питающего напряжения, то есть изменение напряжения на якоре безреостатным способом (якорное регулирование).
Одной из важнейших характеристик двигателей постоянного тока является механическая характеристика n (M), представляющая собой зависимость частоты вращения двигателя от развиваемого им момента. Учитывая, что при установившемся режиме работы привода момент двигателя равен моменту сопротивления на его валу М дв = М с, можно сказать, что механическая характеристика дает представление о характере и степени изменения частоты вращения двигателя от его механической нагрузки.
Поскольку к характеру и степени изменения частоты вращения двигателя предъявляются со стороны различных рабочих машин и механизмов разные требования, механические характеристики двигателей представляют большой практический интерес.
Кроме механических характеристик значительный интерес представляют электромеханические характеристики. Применительно к двигателям постоянного тока – это зависимость частоты вращения двигателя от тока якоря n(I я). Электромеханическая характеристика дает возможность производить ряд расчетов, связанных с выбором двигателя и других элементов его электрической цепи по нагреванию.
Механическая и электромеханическая характеристики считаются естественными, если к двигателю подведено напряжение, равное номинальному, а в цепи двигателя нет каких-либо дополнительных резистивных элементов, то есть при R доб = 0, Ф =Фном и U = U ном.
