РОЗДІЛ 3
ЛАБОРАТОРНІ ЗАНЯТТЯ

3.2 Лабораторне заняття №2П – Дослідження двигуна постійного струму з паралельним збудженням

3.2.1 Короткі теоретичні відомості

У двигуні з паралельним збудженням (див. рис. 2.15, б) обмотка збудження підключена до мережі паралельно з обмоткою якоря. Характерною особливістю цих двигунів є те, що струм збудження I_з не залежить від струму якоря I_а, оскільки живлення обмотки збудження еквівалентне незалежному:

                                                                                          (3.14)

За відсутності регулювання, тобто при незмінному опорі в колі обмотки збудження струм збудження I_з постійний. Тому, нехтуючи розмагнічуючою дією реакції якоря, можна вважати, що і магнітний потік двигуна не залежить від навантаження (Ф = const). При цій умові моментна характеристика двигуна М = f(I_а) (рис. 3.9, а)

                                                                                  (3.15)

де k₁ = c_мФ = const і швидкісна характеристика n = f(I_a) (рис. 3.9, б)

                                                                              (3.16)

прямолінійні.

Механічна характеристика шунтового двигуна описується рівнянням:

                                                                  (3.17)

де частота обертання двигуна в режимі холостого ходу (М = 0)

Механічна характеристика двигуна з паралельним збудженням повторює вигляд швидкісної характеристики (рис. 3.9, б) [3].

Рисунок 3.9 – Моментна М = f(I_а) (а), механічна n = f(M) і швидкісна n = f(I_a) (б) характеристики двигуна з паралельним збудженням

При постійних Ф і U, n₀ = const, а Δn змінюється пропорційно М. Зменшення частоти обертання Δn_ном при номінальному навантаженні незначне і складає (3…5%)n₀. Така механічна характеристика називається жорсткою, тому що швидкість обертання якоря двигуна практично залишається постійною від точки ідеального холостого ходу до гранично допустимого навантаження.

Важливою властивістю розглянутого електричного двигуна є можливість регулювання швидкості в широкому діапазоні. Аналіз рівняння механічної характеристики дозволяє визначити три шляхи регулювання швидкості [1-4]:

1) зміною магнітного потоку шляхом зміни струму збудження;

2) зміною напруги живлення;

3) зміною додаткового опору в колі якоря.

Зміна вказаних параметрів змінює вигляд механічної характеристики. Наприклад, якщо змінити струм збудження, тобто змінити магнітний потік в напрямі його зменшення, то кутова швидкість збільшиться, але механічна характеристика стає менш жорсткою (рис. 3.10, а).

Якщо змінити напругу, наприклад, в напрямі її зменшення, то механічні характеристики будуть паралельними основній або природній, але розташовані нижче від неї (рис. 3.10, б).

Якщо в коло якоря ввімкнути додатковий опір, то механічна характеристика пом’якшується. Слід підкреслити, що величина додаткового опору не впливає на кутову швидкість обертання якоря в режимі холостого ходу n₀ (рис. 3.10, в).

Рисунок 3.10 – Регулювання частоти обертання двигуна з паралельним збудженням: а) – послабленням магнітного потоку; б) – зменшенням напруги; в) – введенням опору в коло якоря

Більшу практичну цінність мають так звані робочі характеристики двигуна. Вони визначають залежності

                                                                         (3.18)

де P₁ – підведена до двигуна електрична потужність;

I_а – струм обмотки якоря;

η – ККД двигуна;

n – частота обертання;

M – електромагнітний момент;

P₂ – корисна потужність, яка знімається з вала двигуна.

Робочі характеристики знімаються експериментально при U = U_ном = const та І_з = const в робочому діапазоні корисної потужності 0 ≤ Р₂ ≤Р_2ном. Номінальні значення основних величин двигуна наводяться в його паспорті.

В процесі перетворення електричної енергії у механічну частина її витрачається всередині машини, викликаючи нагрівання окремих частин двигуна. Ця частина потужності називається втратами Δр_Σ машини. У двигуні підведена потужність Р₁, корисна Р₂ і втрати Δр_Σ пов’язані співвідношенням:

                                                                      (3.19)

Всі втрати в двигуні поділяються на постійні Δр_пост і змінні Δр_зм. До постійних втрат відносяться такі втрати: втрати в колі збудження Δр_з, механічні Δр_мех (від тертя в підшипниках, щітках і на вентиляцію машини) і магнітні Δр_магн (від гістерезису і від вихрових струмів у магнітопроводі якоря при його обертанні):

                                                               (3.20)

До змінних відносяться втрати, що істотно залежать від навантаження двигуна (від струму якоря). Такими втратами є втрати в якірному колі двигуна:

                                                                                          (3.21)

В режимі холостого ходу (Р₂ = 0) змінними втратами можна знехтувати через відносно невеликий струм якоря І_а.0. Тому потужність Р₁₀, що споживається у цьому режимі, повністю витрачається на покриття постійних втрат Р_1.0 ≈ Δр_пост. Отже, вимірявши І_а.0 і І_з в режимі холостого ходу, можна знайти постійні втрати:

                                                                              (3.22)

Зі збільшенням Р₂ збільшуються і змінні втрати, тому Р₁ збільшується дещо швидше, ніж за прямо пропорційною залежністю (рис. 3.11).

Рисунок 3.11 –Робочі характеристики двигуна з паралельним збудженням

З рівняння (3.19) можна знайти зв’язок між I_а і Р₁:

                                                                          (3.23)

Звідси витікає, що I_а пропорційний Р₁, так як U і I_з – постійні. Тому характер залежностей I_а = f(Р₂) і Р₁ = f(Р₂) – однаковий. В режимі холостого ходу струм якоря I_а.0 визначається тільки механічними та магнітними втратами.

ККД двигуна визначається з рівняння

                                                  (3.24)

У режимі холостого ходу (Р₂ = 0) η = 0. При збільшенні навантаження ККД швидко зростає. При деякому значені Р₂ = βР_2ном ККД досягає максимального значення η_max, а потім повільно зменшується. Максимум ККД завжди настає при такому відносному навантаженні

                                                                                         (3.25)

при якому постійні втрати дорівнюють змінним. В сучасних машинах максимум ККД має місце, як правило, при β_mах = 0,4¸0,6.

Кутова швидкість двигуна (з рівняння рівноваги ЕРС):

                                                                (3.26)

При постійних значеннях U, I_з потік Ф₀ також постійний, внаслідок чого частота обертання при збільшенні Р₂ (відповідно і I_а) незначно зменшується (рис. 3.11). При великих навантаженнях і насиченому магнітному колі магнітний потік внаслідок розмагнічуючої дії поперечної реакції якоря зменшується на величину ΔФ. Це може викликати деяке невелике збільшення швидкості. Таке збільшення небажане, бо воно може призвести до нестійкої роботи двигуна. Щоб виключити вплив поперечної реакції, треба виготовляти машину з ненасиченою магнітною системою, що викличе збільшення її габаритів. В машинах з нормальним насиченням для компенсації ΔР використовується невелика послідовно-узгоджено ввімкнена обмотка збудження, яка називається стабілізуючою. У цьому й іншому випадках Ф ≈ Ф₀ = const, тому зі збільшенням Р₂ частота обертання n зменшується практично за лінійним законом.

Одночасно зі збільшенням потужності на валу Р₂ зростає і момент М. Оскільки зі збільшенням Р₂ і М частота обертання n дещо зменшується, то М, пропорційний Р₂ / n, зростає дещо швидше Р₂.