Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВА

Филиал "Восток"

Кафедра приборостроения 
 

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Электромеханическое оборудование в приборостроении»

«Принцип действия двигателя постоянного тока (ДПТ), основные уравнения ДПТ, диаграмма мощностей. Механические характеристики ДПТ параллельного возбуждения. Регулирование частоты вращения ДПТ параллельного возбуждения, современные способы регулирования частоты ДПТ (система ВД-Г-Д, управляемый выпрямитель-Д, импульсное управление). Пуск и реверс ДПТ.» 

Вариант № 10 
 

Выполнил:                     ст. группы 21480 Шашин А.Е. 

Проверил:                                          доцент Прохоров С.Г. 
 
 
 
 
 
 

Чистополь, 2010 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ 

1. Двигатель постоянного тока. Принцип действия, основное уравнение    3-4

2. Основные уравнения ДПТ             4-5

3.  Механические характеристики ДПТ             5-8

4. Регулировка частоты вращения                                                                     8-13

5. Пуск и реверс ДПТ                       13-14

6. Список  использованной литературы            15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ 

Принцип действия двигателя постоянного тока (ДПТ) основан на двух законах электротехники:  законе  электромагнитных  сил  и  законе  электромагнитной индукции. Конструктивная схема ДПТ приведена на рис. 4.27.

 

По закону электромагнитных сил на проводник с током ia, находящийся в

магнитном потоке Ф, действует  электромагнитная  сила Fэм, направление  кото-

рой  определяется по правилу  левой  руки. Она  создает  электромагнитный  вра-

щающий момент Мэм, под действием которого ротор (якорь) начинает раскручи-

ваться со скоростью n.

Коллекторно-щеточный узел ДПТ играет роль инвертора,  т.е. преобразо-

вателя направления  тока в якорной обмотке. Пока проводники якоря находятся 

под полюсом N, они электрически соединены со щеткой "+". Как только они пе-

рейдут в зону полюса S, проводники обмотки электрически соединятся со щет-

кой "–"  и  направление  тока  в  них  автоматически  изменится  на  обратное,  на-

правление электромагнитного момента при  этом сохраняется неизменным.  

Во вращающихся  проводниках якоря по закону электромагнитной индук-

ции индуктируется  ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. Направление действия ЭДС покажем на рис. 4.27 рядом с проводниками в

виде •e а и +e а. Из рис. 4.26 видно, что ЭДС  действует против тока, уменьшая его.

Самый  тяжелый  режим  работы ДПТ –  это  режим  короткого  замыкания,

т.е.  режим  неподвижного  якоря. Фактически  короткого  замыкания  нет,  но  так 

как якорь  неподвижен, то ЭДС равна нулю и  двигатель потребляет большой ток.

Поэтому по аналогии с электрической цепью это состояние называют режимом

короткого замыкания.

2. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ДПТ.

Уравнения  для ЭДС  и  электромагнитного  момента  остаются  такими же,

как и для  ГПТ, потому что основаны на одних  и тех же физических законах:

Если скорость вращения якоря n = 0, то еа = 0 и  Если скорость вращения якоря n = 0, то еа = 0 и 

(4.34)

Если же   n ≠ 0, то ток якоря уменьшается  из-за возникновения ЭДС еa:

(4.35)

из которого получаем уравнение равновесия напряжения:

где Еа, по  аналогии  с уравнением  равновесия напряжения перв.трансформатора, можно назвать противоЭДС. Уравнение равновесия моментов при ω ≠ const имеет вид    где (dω/dt) – динамический  момент, М0 – часть электромагнитного момента, идущая на покрытие момента холостого хода, т.е. всех видов моментов трения, М2 – часть электромагнитного момента, которая идет на преодоление момента, приложенного к валу, т.е. полезный момент или момент на валу. Если ω = const, то (dω/dt) = 0 и уравнение моментов принимает вид:     (4.38)  

3.  МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ  ДПТ

Рассмотрим  сначала ДПТ с параллельным возбуждением (рис. 4.28). Механические характеристики –  это  зависимость  скорости  вращения ДПТ от момента на  валу  n(M2) – при  экспериментальном  исследовании или  зависимость n(Мэм) – при теоретическом исследовании. Уравнение равновесия напряжения  подставляя в него значения Еа и Ia из выражений (4.32) и (4.33), получим 

Здесь  n0 –  скорость  идеального  холостого хода двигателя, не обладающего моментами трения. Реальный холостой ход –  это  скорость  вращения  двигателя

без  внешнего  момента  сопротивления, приложенного к валу.  С  ростом

электромагнитного  момента частота  вращения  уменьшается  очень  мало,  т.е.

механическая  характеристика –  жесткая,  и  это является положительным свойством этого двигателя (рис. 4.29). Характеристика получается жесткой  потому,  что  коэффициент  b  при  электромагнитном моменте  очень  мал,  вследствие  того,  что мало сопротивление Rа. Реакция якоря уменьшает Ф и стремится повернуть характеристику относительно точки n0 вверх.  
 
 
 

 

Рассмотрим  теперь  двигатель  с  последовательным возбуждением (рис. 4.30).  

Для него причем Ra и Rв – малы. Тогда уравнение равновесия напряжения  и, учитывая (4.32), получим: 

    (4.43)

Зависимость магнитного потока Ф от тока возбуждения Iв=Ia на линейном

участке можно  записать в виде:

      (4.44)

где к –  коэффициент пропорциональности. С  учетом этого 

(4.45)

Электромагнитный  вращающий момент будет:

(4.46)

т.е. если в ДПТ с параллельным возбуждением электромагнитный момент прямо пропорционален току якоря, то в ДПТ с последовательным возбуждением он пропорционален квадрату  тока  якоря. Это  является положительным  свойством

ДПТ  с  последовательным  возбуждением. Силовые  электромеханизмы имеют в своем составе ДПТ с последовательным возбуждением.

Теперь мы можем выразить ток якоря через  электромагнитный момент

     (4.47)

и  подставить  это  значение  в  формулу  для  скорости вращения  двигателя,  тогда  получим  выражение  для механической  характеристики ДПТ  с последовательным возбуждением.

Из рисунка 4.31 видно, что c увеличением момента  скорость вращения ДПТ изменяется очень  сильно,  т.е. характеристика мягкая, хорошо используется в 

электроприводе. Из характеристики также следует, что, если электромагнитный момент Мэм уменьшать, то скорость  вращения  двигателя будет возрастать.  Следовательно,  ДПТ последовательного возбуждения пускать вхолостую нельзя, потому что якорь приобретет повышенную  скорость  вращения,  опасную  для  целостности  якоря,  т.е.  двигатель идет "вразнос".

 Однако  ДПТ мощностью до нескольких  сот ватт можно включать вхолостую,  т.к. момент трения холостого  хода для него является существенной  внутренней нагрузкой. 

4. РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

Рассмотрим  сначала ДПТ  с параллельным  возбуждением. Его механическая характеристика определяется формулой (4.39): 

В  установившемся  режиме  const. эм с = = M M  Тогда  из  формулы (4.39)

видно,  что  частоту  вращения  якоря можно  регулировать  тремя  способами при

изменении:

1)  сопротивления  якорной цепи Ra; 

2)  магнитного  потока Ф; 

3)  напряжения  питания U.

Все эти  способы можно реализовать на установке, схема которой показана

на рис. 4.33.

 

Если введем реостат 1 в цепь якоря,то сопротивление  якорной цепи увеличится  и  станет  равным  (Ra +  Rда),  следовательно,  скорость  вращения  якоря  уменьшится (рис. 4.34).  Если  введем  реостат  2  в  цепь  обмотки  возбуждения,  ее  сопротивление увеличится,  станет  равным (Rв +  Rдв)  и уменьшится  ток  возбуждения  Iв. Следовательно,  уменьшится магнитный  поток Ф, увеличатся  скорость  идеального  холостого  хода  n0,  коэффициент  b,  наклон прямой к оси Мэм и скорость вращения, как показано на рис. 4.34. 

Повысив  напряжение  питания  с помощью  реостата  3,  также  увеличим скорость  идеального  холостого  хода  n0, характеристика будет идти параллельно естественной механической  характеристике.  Теперь рассмотрим ДПТ с последовательным возбуждением. Различные способы регулирования  можно  осуществить  по следующей схеме (рис. 4.35).

При  рассмотрении  полагаем,  что Мэм=Мс=const.  Рассмотрим  первый  способ  регулирования  частоты  вращения.  Введем реостат  1  параллельно  якорю.  Это

уменьшит ток якорной цепи Iа, но вследствие  уменьшения  общего сопротивления цепи  увеличит  ток  обмотки  возбуждения Iв. Если магнитная цепь насыщена, то магнитный поток не изменится, но уменьшится  электромагнитный  момент.  Это  приведет  к  уменьшению  частоты вращения, росту якорного тока вследствие уменьшения величины противоЭДС, что вновь восстановит равенство моментов Мэм = Мс = const. Таким образом, будем иметь уменьшенную частоту вращения двигателя при увеличенном потреблении тока.

 Аналогично  можно  рассмотреть  и  другие  способы  регулирования.  Так при введении реостата 2 – частота вращения увеличится. Понизив с помощью реостата 3 напряжение питания, уменьшим частоту вращения. Ни  один  из  приведенных  способов  не  экономичен,  т.к.  имеются  потери энергии в реостатах. Более экономичной и целесообразной особенно для двигателей большой мощности является система ВД – Г – Ди, где ВД – вспомогательный двигатель (обычно используется трехфазный асинхронный двигатель), Г – генератор  постоянного  тока  независимого  возбуждения, Ди – исполнительный двигатель. Схема регулирования приведена на рис. 4.36.

Для питания  постоянным током цепей возбуждения  генератора Г и двигателя Ди используется возбудитель В – маломощный генератор  постоянного тока, напряжение на выходе которого поддерживается неизменным.  Изменение  напряжения  в  цепи  якоря  позволяет  регулировать  частоту вращения двигателя вниз от номинальной, т.к. напряжение свыше номинального  недопустимо. При  необходимости  регулировать  частоту  вращения  вверх  от номинальной можно  воспользоваться  изменением  тока  возбуждения  двигателя (реостат Rд).

Изменение направления вращения (реверс) Ди осуществляется изменением направления  тока в цепи  возбуждения  генератора Г переключателем П,  т.е. изменением полярности напряжения на  его  зажимах. Если двигатель постоянного тока работает в условиях резко переменной нагрузки, то для смягчения колебаний мощности, потребляемой ВД из трехфазной цепи, на вал ВД помещают маховик М, который запасает энергию в период уменьшения нагрузки на двигатель Ди и отдает ее в период интенсивной нагрузки двигателя. Регулирование  частоты  вращения  изменением  напряжения  в  цепи  якоря обеспечивает  плавное  экономичное  регулирование  в  широком  диапазоне nmax/nmin≥25.  Наибольшая  частота вращения  здесь ограничивается  условиями коммутации, а наименьшая – условиями охлаждения двигателя. Еще одним достоинством рассматриваемого способа регулирования является то, что он допускает безреостатный пуск двигателя при пониженном напряжении. Более экономичным является управление частотой вращения ДПТ по системе "управляемый выпрямитель – двигатель". Схема управления проста и показана на рис. 4.37. В данной схеме можно вместо ЛАТР и диодов использовать тиристоры и с их помощью регулировать напряжение на двигателе.  Весьма  перспективным  и  экономичным  способом  управления  является импульсное  управление  частотой  вращения ДПТ (рис. 4.38). Частота  следования  импульсов  при  номинальном  режиме  обычно  составляет 200÷400 Гц. Поэтому период  импульсов приблизительно  на  два порядка меньше  постоянной времени цепи  якоря. Следовательно,  за  время длительности  импульса  τ ток в двигателе не  успевает  значительно возрасти,  а за  время паузы (Т−τ) – значительно уменьшиться.