Электродвигатели постоянного и переменного тока

Лабораторная работа №1.

Изучение механических характеристик электродвигателей постоянного тока с параллельным и независимым возбуждением

Схемы таких электродвигателей приведены на рис.

Уравнение скоростной характеристики двигателя постоянно тока с независимым и параллельным возбуждением имеет вид:

Вращающий момент двигателя определяется из выражения

М. = kФI (4)

а э. д. с. двигателя

Е = kФw. (5)

В трех последних формулах: w -- угловая скорость, рад/с; U-подводимое напряжение, В; I -- ток в цепи якоря, А; R_я -- сопрoтивление обмотки якоря, Ом; R_р-- сопротивления реостата в цеп якоря. Ом; Ф -- магнитный поток возбуждения двигателя, Вб; k- коэффициент, зависящий от конструкции машины.

Подставив в уравнение (4) значение тока якоря из формул (5), получим уравнение механической характеристики электродвигателя (6)

Поскольку выражение (6) -- это уравнение прямой, значит механические характеристики двигателей параллельного и независимого возбуждения прямолинейны (рис.). Характеристика R =R_я называется естественной, остальные -- искусственными.

Скорость идеального холостого хода определяется из уравнения (6) при условии, что М = 0

Величину сопротивления якоря двигателя параллельного и независимого возбуждения ориентировочно можно определить из выражения:

Номинальное значение к.п.д. можно вычислить, как:

Где Р_ном - номинальная мощность электродвигателя, кВт.

Угловая скорость двигателя на естественной механической характеристике при номинальном моменте называется номинальной.

Согласно уравнениям (5) и (6) увеличение сопротивления реостата в цепи якоря приводит к увеличению угла наклона механической характеристики, т.е. к снижению скорости.

Лабораторная работа №2.

Тормозные режимы электродвигателя

Для двигателя последовательного возбуждения возможны лишь два режима электрического торможения: противовключением и динамическое. Режима рекуперативного торможения у двигателей этого типа нет, так как э.д.с. не может быть выше напряжения сети в связи с тем, что скорость идеального холостого хода не имеет конечной величины [см. формулу (5)].

Динамическое торможение может быть осуществлено двумя способами: с самовозбуждением (рис.а) и с независимым возбуждением (рис.в). При торможении с самовозбуждением необходимо сохранить направление тока возбуждения таким же, как при нормальной работе двигателя. Без этого машина размагнитится, и торможения не получится.

Механические характеристики режима динамического торможения (см. рис, четыре засечки) нелинейны вследствие непостоянного магнитного потока. В области, обозначенной пунктирными линиями, торможение практически отсутствует. Рассмотренный режим используют редко, в основном как аварийный при исчезновении напряжения сети.

Механические характеристики динамического торможения с независимым возбуждением аналогичны соответствующим характеристикам двигателя параллельного возбуждения (см. рис., две засечки). Такой способ торможения нашел широкое применение в приводе рудничных электровозов, ходового механизма роторных экскаваторов и др.

Торможение противовключением осуществляется, как и у двигателей параллельного возбуждения, двумя способами: включением в цепь якоря реостата с большим сопротивлением и изменением полярности обмотки якоря.

При первом способе механическая характеристика будет продолжением характеристики двигательного режима (см. рис. 7, три засечки в квадранте IV). При торможении противовключением по второму способу характеристика располагается в квадранте II (линия с тремя засечками).

Двигатель со смешанным возбуждением имеет две обмотки возбуждения: последовательную ОВ_посл и параллельную ОВ_пар (см. рис.), которые совместно создают поток возбуждения машины.

Двигатели со смешанным возбуждением допускают все три режима электрического торможения: рекуперативное с отдачей энергии в сеть, динамическое и противовключением.

Для асинхронного двигателя возможны следующие режимы торможения: рекуперативное с отдачей энергии в сеть, противовключением и динамическое. Рекуперативное торможение с отдачей энергии в сеть происходит при угловой скорости выше синхронной (о). С сверхсинхронной скоростью ротор может вращаться, например, при спуске ковша экскаватора или при спуске груза лебедкой. В режиме рекуперативного торможения момент и ток ротора имеют отрицательные знаки, и машина работает в режиме асинхронного генератора, превращая механическую энергию, сообщаемую валу машины спускающимся грузом, в электрическую и отдавая ее в сеть. Механическая характеристика этого режима является продолжением характеристики двигательного режима и располагается во // квадранте (см. рис.).

Режим торможения противовключением аналогичен соответствующему режиму двигателя постоянного тока с независимый возбуждением. Этот режим, может быть, достигнут двумя путями:

1) увеличением сопротивления реостата в цепи ротора. В точке, а момент двигателя меньше момента статического сопротивления и поэтому груз увлекает за собой ротор в направлении, обратном направлению вращения магнитного поля статора. Это вызывает быстрое возрастание э.д.с., тока ротора и тормозного момента. В точке в момент, создаваемый опускающимся грузом, и тормозной момент двигателя уравновешиваются и скорость опусканий становится постоянной. При необходимости ускорения опускания груза в цепь ротора вводят следующую ступень реостата реверсом, т, е. переключением двух фаз статора. В результате вращающееся поле статора изменяет направление вращения, а ротор по инерции вращается в прежнем направлении. Ток и момент при этом изменяют свои знаки: момент становится тормозным, что вызывает быструю остановку двигателя. Вследствие встречного вращения ротора и поля статора э.д.с. ротора достигает большой величины. Для ограничения броска тока при переходе в режим противовключения в цепь фазного ротора двигателя вводят ступень противовключеиия.

Лабораторная работа №3.

Механическая характеристика электродвигателей постоянного тока с последовательным возбуждением

Обладая весьма мягкой механической характеристикой (рис), двигатель с последовательным возбуждением сравнительно плавно преодолевает перегрузку, имеет высокий пусковой момент и мало перегружает сеть при пуске и вынужденной остановке под нагрузкой. Это послужило основанием к применению такого рода двигателей для привода рудничных электровозов, ходовой части роторных экскаваторов.

При нагрузках менее 15--20% номинальной скорость вследствие снижения магнитного потока недопустимо возрастает, а при холостом ходе, когда Ф?0, скорость может достигнуть величины, при которой произойдет авария (разнос двигателя). Поэтому двигатель с последовательным возбуждением нельзя пускать вхолостую.

У этих двигателей обмотка возбуждения ОВ включена последовательно с якорем и по ней протекает тот же ток что и по обмотке якоря. Поэтому при изменении нагрузки будет изменяться и магнитный поток, оказывая большое влияние на скорость двигателя. Наиболее наглядно это видно из уравнения скоростной характеристики, которое показывает, что при изменении магнитного потока скорость двигателя может изменяться в широких пределах, придавая механической характеристике большую мягкость. Однако вследствие насыщения магнитной цепи магнитный поток изменяется не пропорционально току. Наибольшее изменение магнитного потока и, следовательно, скорости будет при малых нагрузках, когда машина ненасыщенна. Зависимость магнитного потока от тока возбуждения (характеристика намагничивания) является сложной нелинейной функцией и не имеет аналитического выражения. Поэтому нет и аналитической зависимости для механической характеристики.

На рис. приведены естественные и искусственные механические характеристики двигателя последовательного возбуждения при различных добавочных сопротивлениях в цепи якоря. Введение сопротивления в цепь якоря делает характеристику еще более мягкой.

Лабораторная работа №4.

Механическая характеристика электродвигателя переменного тока с фазным ротором

Пуск двигателя с фазовым ротором производится с помощью пускового реостата, включенного в цепь ротора. По мере разгона двигателя реостат выводится.

На рис. приведены его механические характеристики. Кривые 2, 3, 4, 5 -- искусственные механические характеристики при введенном в цепь ротора реостате. Кривая 1 -- естественная механическая характеристика при полностью выведенном реостате.

Увеличение активного сопротивления цепи ротора при введенном реостате вызывает уменьшение пускового тона и увеличение пускового момента. Наименьший пусковой момент М₀ имеет естественная механическая характеристика.

Вращающий момент при пуске с полностью введенным реостатом будет изменяться по кривой 5. При выводе первой ступени реостата (точка а) вращающий момент мгновенно увеличивается (по линии а--б) и дальше изменяется по кривой 4. Дальнейший вывод ступеней реостата приводит к тому, что вращающий момент скачкообразно переходит с одной характеристики на другую и при окончательном выводе реостата переходит на естественною характеристику (кривая 1).

Таким образом, введение реостата в цепь ротора трехфазного асинхронного двигателя обеспечивает: уменьшение пускового тока; увеличение пускового вращающего момента; плавность пуска; возможность регулирования скорости вращения; возможность перехода на различные виды электрического торможения.

Лабораторная работа №5.

Изучение схем пуска двигателей, функции времени.

При пуске двигатель преодолевает момент инерции привода и механизма, а также силу трения, которая при трогании с места всегда больше, чем при работе, так как коэффициент трения покоя обычно превышает коэффициент трения движения. Кроме того, пуск многих горных машин и конвейеров часто осуществляется в условиях заштыбовки и завала, поэтому при пуске двигатель должен развивать значительно больший вращающий момент, чем при работе с установившейся скоростью.

В начальный момент пуска ток двигателя резко возрастает, таи к в неподвижном якоре двигателя постоянного тока отсутствует противо-э.д.с., а в неподвижном роторе включенного в сеть двигателя переменного тока индуктируется большая э.д.с. Большие пусковые токи могут вызвать перегрев обмоток, искрение щеток и значительные электродинамические усилия в обмотках двигателя, вызывающие повреждения изоляции. По условиям коммутации двигатели постоянного тока должны иметь пусковой ток не выше 0% номинального.

При большом пусковом токе возникают колебания напряжения шахтной электросети, отрицательно влияющие на работу, как самого двигателя, так и других приемников, подключенных к сети, поскольку при этом снижаются вращающие моменты двигателей, световые потоки ламп и т. д. Кроме пускового тока необходимо ограничивать ускорения и особенно стараться избежать рывка, величина которого, является производной от ускорения (м/с³). Чрезмерное ускорение и рывок опасны для прочности конструкции. Особенно это недопустимо в транспортных устройствах для перевозки подъема людей из шахты. В зависимости от величины статического момента различают следующие режимы пуска: легкий, когда начальный статический момент Мс, не превышает 40% номинального значения (насосы, вентиляторы, турбокомпрессоры, преобразовательные электромашинные агрегаты);

Пуск двигателей в простейших системах электропривода осуществляют с помощью пускового реостата. Большинство асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, применяют; для привода горных машин, запускают непосредственным включением на полное напряжение сети. И лишь для мощных синхронных и асинхронных; двигателей с короткозамкнутым ротором в ряде случаев применяются пуск при пониженном напряжении с мощью автотрансформаторов и реакторов, включаемых на время пуска в цепь статора. В сложных системах электропривода постоянного тока пуск осуществляют плавным увеличением напряжения на якоре.

Для облегчения тяжелых условий пуска (например, мощных конвейеров) иногда используют специальные средства -- различные виды муфт (электромагнитные, гидравлические и др.). В этом случаях двигатель пускается вхолостую и передача движения исполнительному органу осуществляется включением муфты до полного разгона двигателя. Однако при этом увеличивается общее время пуска рабочей машины, хотя время работы двигателя большими пусковыми токами уменьшается.

Нормальный пуск применяют для двигателей с продолжительным режимом работы (конвейеры, насосы, роторные экскаваторы, буровые станки, вентиляторы и др.), а форсированный -- для двигателей приводов, работающих с большой частотой включения (подъемные машины, рабочие двигатели одноковшовых экскаваторов и др.). Во втором случае в целях экономии времени пуск производят с предельно допустимыми моментами и токами.

При наличии упругих элементов и кинематического зазора между отдельными звеньями механизма большие моменты двигателя при пуске могут вызвать механические перенапряжения, удары, поломки машины и др. Тогда искусственно понижают начальный момент двигателя до (0,3--0,5) М_ном.

Кроме обмотки возбуждения, питаемой постоянным током, ротор синхронного двигателя снабжается специальной пусковой короткозамкнутой обмоткой, с помощью которой двигатель пускается в ход как асинхронный. В установившемся режиме пусковая обмотка сглаживает колебания угловой скорости и тока статора при мнении нагрузки, напряжения и частоты сети. Постоянный ток в обмотку возбуждения подают лишь тогда, когда частота вращения ротора становится близкой к синхронной (подсинхронной). и поэтому двигатель втягивается в синхронизм. Чем меньше скольжение и величина статического момента, тем благоприятнее условия вхождения двигателя в синхронизм.

Асинхронный пуск синхронного двигателя возможен как при том, так и при пониженном напряжении. В последнем случае пуск осуществляют в следующем порядке; статор включают пониженное напряжение (при этом двигатель втягивается в синхронизм) и затем переключают его на полное напряжение.