1. Цель работы

Приобретение практических навыков пуска и снятия характеристик двигателя постоянного тока (ДПТ) с параллельным возбуждением.

2. Содержание работы

1.1. Пуск ДПТ на холостом ходу и снятие регулировочной характеристики.

1.2. Исследование работы ДПТ с переменной нагрузкой.

1.3.  Расчет и построение механической и рабочих характеристик ДПТ.

3. Особенности правил и мер техники безопасности при проведении экспериментальных исследований

3.1 При выполнении экспериментов существует опасность пуска ДПТ, приводящего к аварии, а также опасность пустить двигатель «вразнос», при резком уменьшении тока возбуждения. Для исключения аварийных ситуаций необходимо знать правила пуска и управления ДПТ и строго соблюдать порядок проведеиия экспериментов.(п.6).

4. Подготовка к выполнению работы

При подготовке к выполнению данной работы студент должен:

4.1. Изучить тему “Машины постоянного тока” ( [1], с. 370-402; |2], с. 73-86).

4.2.  Подготовить бланк отчета, в котором отобразить цель работы, принципиальную схему экспериментальной установки (рис.1), таблицы 1 и 2.

4.3. Уяснить методику, порядок проведения экспериментов и необходимые меры для их безонасности.

5. Описание лабораторной установки

Установка для исследования ДПТ (рис.1) выполнена в виде стенда «ДПТ-ГПТ» (двигатель постоянного тока – генератор постоянного тока), состоящего из  двух  МПТ с параллельным возбуждением, валы которых соединены муфтой, и щита управления. Одна машина (M1) работает как ДПТ, а другая (G1) в качестве ГПТ. являясь нагрузкой для двигателя. Питание установки осуществляется от сети постоянного тока напряжением 125В. При подключении двигателя М1 к сети в катушках обмотки возбуждения, расположенных в статоре ДПТ, появляется ток возбуждения, который создает постоянное магнитное поле статора. Величину тока возбуждения, а следовательно, и величину магнитной индукции поля можно изменить с помощью реостата Rp в цепи возбуждения ДПТ.

Для приведения двигателя во вращение необходимо, чтобы по проводникам обмотки якоря, находящимся в магнитном поле статора, пошел ток. Тогда, в соответствии с явлением электромагнитной силы, на якорь будет действовать вращающий момент, величина сил которого определяется законом Ампера.

Однако существует проблема пуска ДПТ, связанная со скачком величины тока якоря в 20-30 раз, что может привести к аварии. Поэтому в цепи якоря предусмотрен пусковой реостат Rп для ограничения пускового тока

Ток якоря, в соответствии со вторым законом Кирхгофа для цепи якоря, определяется выражением

Iя =

где Е - пртиво-э.д.с, индуцируемая в проводниках якоря, в соответствии с явлением электромагнитной индукции, при пересечении ими силовых линий магнитного поля статора. В номинальном режиме величина противо-э.д.с. достигает 93-97% от напряжения сети.

В момент пуска Е=0, т.к, частота вращения якоря n=0. Отсутствие противо-э д.с в момент пуска и обусловливает скачок пускового тока. Поэтому пуск ДПТ  необходимо осуществлять при  полностью введенном  пусковом peocтате Rп=Rпmax и выведенном регулировочном реостате (Rp=0), чтобы был максимальный магнитный поток и быстрее возрастала противо-э.д.с, После пуска Rп плавно выводят, для уменьшения потерь в цепи якоря.

Основным преимуществом ДПТ является возможность плавного регулирования частоты вращения. На стенде «ДПТ- ГПТ» эта возможность осуществляется регулировочным реостатом Rp.

При увеличении величины Rp, уменьшается Iв, а, следовательно, и магнитный поток Ф, что приводит к возрастанию частоты вращения ДПТ, т.к.

n =

Резкое уменьшение тока возбуждения может привести к аварии: частота вращения ДПТ  недопустимо возрастает, - двигатель идет «вразнос», т.е. центробежные силы вырывают обмотку якоря из пазов, сгорает коллектор. Поэтому   регулировку   частоты   вращения,   особенно   при   ее   увеличении, необходимо производить осторожно, плавно,

ДПТ приводит во вращение генератор G1, который являегся переменной механической нагрузкой на валу двигателя. Изменение тормозного момента создается в генераторе в соответствии с явлением электромагнитной силы, при изменении тока якоря генератора с помощью резисторов нагрузки R1-R4.

Схема стенда «ДПТ-ГПТ» позволяет снять механическую, регулировочную и рабочие характеристики ДПТ.

6. Порядок проведения экспериментов

6.1. Снять регулировочную характеристику n=f(IB).

6.1.1. Обеспечить режим холостого хода ДПТ, для чего выключить возбуждение генератора S6 и все его нагрузки R1-R4.

6.1.2. Подготовить к пуску двигатель, для чего ввести пусковой реостат (Rп влево до упора) и вывести регулировочный реостат (Rp вораво до упора).

6.1.3. Пустить ДПТ в следующем порядке:

а) включить питание

б)  плавно вывести пусковой реостат, при этом якорь набирает обороты, наблюдается скачок тока якоря, который   резко снижается из-за образования противо-э.д.с.

6.1.4. Занести в табл. 1 максимальный ток возбуждения  (А2) и соответствующую ему частоту вращения ДПТ (показания тахометра).

                                              Регулировочная характеристика ДПТ                        Таблица 1

Ток возбуждения IВ, А

              

Частота вращения n,

             

6.1.5. Осторожно плавно переключать регулировочный реостат («Возб.дв.») на одно положение, 5-6 раз уменьшая IB до минимально возможного (до упора влево), при этом записывать в табл. 1 регистрируемые значения IB и n.

Примечание: если на данном стенде RP имеет плавную регулировку, а не ступенчатую, то уменьшение тока возбуждения следует проводить по 0,05 А, осторожно поворачивая регулятор Rp против часовой стрелки.

Рис.1 Упрощенная принципиальная электрическая схема лабораторного стенда «ДПТ-ТПТ»

6.1.6. Уменьшить частоту вращения якоря ДПТ до начальной плавным поворотом Rp (« Возб.дв.») до упора вправо.

6.2. Снять механическую характеристику ДПТ n=f(M) и рабочие характеристики. Эксперименты проводить при   максимальном  токе возбуждения IB (RB=RBmin=Const).

6.2.1. Снять  показания приборов двигателя  и  генератора  в  режиме  х.х. и записать в табл.2.

                                           Механическая и рабочие характеристики ДПТ                      Таблица 2

Кол-во вкл. нагрузок

Измерено

Вычислено

UC

IД

IВ

UГ

IГ

n

IЯ

P1

P2

M

η

В

А

А

В

А

А

Вт

Вт

Нм

%

0(х.х)

                      

1

                      

2

                      

3

                      

4

                      
       

RЯ Г =

Rмех Г =

    

6.2.2. Включить возбуждение генератора (оно не регулируется, установлено номинальное) и один резистор нагрузки. Занести показания приборов в табл 2. Далее повторять зту операцию увеличивая нагрузку до 4 резисторов.

6.2.3. Остановить ДПТ, нажав на красную стоповую кнопку <Сеть>, затем привести все тумблеры и регуляторы в исходное положение.

6.2.4. Записать в табл.2 паспортные данные стенда: сопротивление якоря генератора RЯ Г и величину механических потерь в генераторе Rмех Г.

7. Обработка результатов эксперимента.

7.1. Необходимо уяснить, что ДПТ служит для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую.

7.2. По результатам экспериментов расчитать:

а) ток якоря двигателя:      IЯ=IД-IВ

б) Мощность, потребляемую ДПТ из сети:      P1=UC*IД

в) Мощность на валу ДПТ, т.е. потери в ГПТ:    P2= Pмех Г+ RЯ Г*IГ2+UГIГ

г) Крутящий момент ДПТ:    М===9.55*[Нм]

д) к.п.д. двигателя:      η=*100%

Результаты расчетов занести в табл.2.

7.3. Построить регулировочную характеристику n=f(IB) при Uc=Const, P2=0, т.е. в режиме х.х.

Регулировочная характеристика ДПТ (рис. 2) имеет гиперболическую зависимость, т.к. частота вращения обратно пропорциональна магнитному потоку. Этот способ допускает достаточно широкую регулировку n в сторону увеличения, однако прочностные характеристики якоря не позволяют увеличить ее более,чем на 25% от номинальной у ДПТ обычного исполнения, при малых токах возбуждения двигатель идет «вразнос».

Увеличение IВ от номинального незначительно снижает частоту вращения, т.к. магнитная цепь ДПТ в насыщении.

7.4. Построить механическую характеристику n=f(M) при Uc=Const; RВ=Const.

Механическая характеристика (рис. 3) является основной характеристикой ДПТ с ростом нагрузки до номинальной частоты вращения меняется лишь на несколько процентов, т.е. характеристика является жесткой.

7.5. Построить рабочие характеристики ДПТ n=f(P2); M=f(P2); η=f(P2); IД=f(P2).

Кратко поведение этих характеристик (рис. 4), объясняется следующим образом:

Рис. 4. Рабочие характеристики ДПТ с параллельным возбуждением

n -  падает незначительно в силу жесткости механической характеристики;

Мкр =  - несколько опережает рост P2, т.к. снижается частота вращения ω; 

η – к.п.д. при малых нагрузках растет очень быстро, затем рост замедляется и падает, т.к. потери на нагрев обмотки якоря током pacтут пo квадратичному закону;

IД - потребляемый ток двигателя и мощность связаны квадратичной зависимостью от тока потерь на нагрев обмоткн якоря.

ДПТ, в сравнении с другими двигателями, обладает важным преимуществом: допускает плавное регулирование частоты в широких пределах создает большие пусковые моменты, выпускается на большие по сравнению с асинхронными двигателями частоты вращения. Широко применяется в транспорте, в приводах подъемно-транспортных механизмов и тяжелых станков. Как и другие электродвигатели ДПТ обладает свойством саморегулирования момента, т.е. автоматически устанавливает крутящий момент, равный моменту нагрузки.

8. Выводы по работе.

В выводах объяснить поведение регулировочной и механической характеристик ДПТ и дать объяснение свойству саморегулирования ДПТ.

9. Содержание отчета.

- цель работы;

- схема (рис. 1);

- табл. № 1 и № 2 с результатами экспериментов и их обработки;

- механическая, регулировочная и рабочие характеристики ДПТ;

- выводы по работе.

10. Контрольные вопросы

10.1. Описать устройство ДПТ и назначение его элементов.

10.2. Описать принцип действия ДПТ.

10.3. Как осуществить пуск ДПТ?

10.4. Как осуществить реверс ДПТ?

10.5.  В чем заключается принцип саморегулирования ДПТ?

10.6. Как регулируется частота вращения ДПТ?

10.7.  Объяснить характер регулировочной и механической характеристик ДПТ с параллельным возбуждением.

10.8 Объясните, как проявляются в ДПТ явления электромагнитной индукции и электромагнитной силы.