 |
Регулирование частоты вращения изменением тока возбуждения
|
|
|
|
Регулировочная характеристика двигателя при изменении тока возбуждения представляет собой зависимость:
Ω = ƒ(IВ) при U = UH = const и I1 = const.
Опыт проводиться следующим образом. После пуска двигателя резистор R1 в цепи якоря полностью выводится. Устанавливается максимальное сопротивление резистора R2 и включается рубильник Q2. С помощью нагрузочного устройства ток якоря I1 доводится до заданного значения. Величина этого тока в течение всего опыта поддерживается постоянной. Показания приборов заносятся первой точкой в таблицу 3.2.
Таблица 3.2
Регулировочные характеристики двигателя последовательного возбуждения
| № п./п. | U1 | I1 | n | U2 | I2 | IВ | Ω | Приме- чание |
| В | А | об/ мин | В | А | А | с-1 | ||
| а) Регулирование частоты вращения изменением напряжения на якоре | ||||||||
| . | . | IВ = I1 | ||||||
| б) регулирование частоты вращения изменением тока возбуждения | ||||||||
| . | IВ=I1-I2 |
Уменьшением сопротивление резистора R2 устанавливается ток I2 около 15% от номинального, а нагрузочным устройством поддерживается заданный ток якоря. Полученные данные записываются второй точкой в таблицу 3.2. Далее, поддерживая заданный ток якоря, ток I2 увеличивают ещё примерно на 10%. Аналогично снимаются данные других точек. По данным таблицы 3.2 строятся регулировочные характеристики (рис.3.6).
Характер регулировочных характеристик двигателя постоянного тока последовательного возбуждения можно объяснить следующим образом.
При регулировании частоты вращения изменением напряжения на якоре ток якоря I1 и магнитный поток Ф остаются постоянными. Зависимость частоты вращения от напряжения на якоре согласно уравнения Ω = 
имеет линейную зависимость (рис.3.6.а). Данный способ регулирования позволяет изменять частоту вращения электродвигателя постоянного тока в широких пределах в сторону уменьшения от номинальной частоты вращения.
|
|
|
а) б)
Рис. 3.6. Регулировочные характеристики: а) зависимость частоты вращения от напряжения на якоре; б) зависимость частоты вращения от тока возбуждения.
В двигателе последовательного возбуждения при регулировании частоты вращения изменением магнитного потока обмотку возбуждения шунтируют сопротивлением R2. Если при постоянном токе якоря уменьшать сопротивление шунта R2, то ток через шунтирующее сопротивление увеличится, а ток возбуждения IВ и магнитный поток Ф уменьшатся. Частота вращения возрастет, и будет обратно пропорциональна величине магнитного потока (рис.3.6,б). Этот способ позволяет регулировать скорость вращения двигателя только в сторону увеличения от номинальной. Сопротивление обмотки возбуждения RВ мало, поэтому сопротивление R2 также должно быть малым. Потери в шунте будут небольшие. Так как одновремённо уменьшаются потери на возбуждение, то кпд двигателя остаётся большим.
Содержание отчёта
1. Паспортные данные исследуемого двигателя, нагрузочной машины и технические характеристики используемых приборов.
2. Схема установки.
3. Таблицы измерений.
4. Рабочие характеристики двигателя при номинальном напряжении на якоре.
5. Электромеханические характеристики двигателя W = ƒ(I1) и зависимости момента М от тока якоря I1 М= ƒ(I1) при номинальном напряжении и при введённом добавочном сопротивлении R1.
6. Регулировочные характеристики.
7. Выводы.
Лабораторная работа №4
Тахогенераторы
Цель работы: изучить устройство и принцип действия тахогенератора постоянного тока и асинхронного тахогенератора, овладеть техникой и методикой их испытаний.
|
|
|
Содержание работы:
1. Ознакомиться с устройством тахогенератора постоянного тока и его паспортными данными.
2. Снять и построить выходные характеристики тахогенератора в диапазоне частоты вращения от 0 до
1,25nH:
а) при холостом ходе – RНАГР = ∞;
б) при нагрузке – RНАГР = 500 Ом.
3. Ознакомиться с устройством и основными техническими данными асинхронного тахогенератора.
4. Определить остаточную ЭДС (нулевой сигнал) тахогенератора.
5. Снять и построить выходные характеристики тахогенератора в диапазоне частоты вращения от 0 до 1,25nH:
а) при холостом ходе – RНАГР = ∞;
б) при нагрузке – RНАГР = 500 Ом.
6. Дать оценку результатам испытаний.
Выполнение работы.
Общие положения.
Тахогенератором называется электрическая машина, предназначенная для преобразования механической величины – частоты вращения – в пропорциональный ей электрический сигнал (напряжение). Если ротор тахогенератора вращается с частотой вращения n, то ЭДС на выходе тахогенератора пропорциональна частоте вращения:
Е=k1n.
Вольтметр, измеряющий эту ЭДС, может быть отградуирован непосредственно в оборотах в минутах.
ЭДС на выходе тахогенератора пропорциональна первой производной от угла поворота α по времени:
Е = k2 
или
α = 
.
Приведенные выражения показывают способность тахогенератора решать задачу дифференцирования и интегрирования функций.
Тахогенераторы применяются:
1) для контроля за скоростью вращения различных машин и механизмов;
2) для получения демпфирующих и форсирующих сигналов в функции скорости вращения в системах автоматического регулирования;
3) при вычислительных операциях в счетно-решающих системах;
4) для исследования процессов разбега двигателей различных типов, то есть снятие кривой частоты вращения в функции времени n = ƒ(t).
Основные требования, предъявляемые к тахогенераторам, таковы:
1) высокая линейность выходной характеристики;
2) большая крутизна линейной характеристики;
3) симметрия выходного напряжения;
4) минимальная величина остаточного напряжения у генераторов переменного тока и минимальная зона нечувствительности у генераторов постоянного тока;
5) максимальная выходная мощность при минимальной потребляемой;
|
|
|
6) минимальная пульсация выходного напряжения (у тахогенераторов постоянного тока);
7) минимальное изменение фазы выходного напряжения (у тахогенераторов переменного тока);
8) малый момент инерции ротора и малая величина момента сопротивления;
9) стабильность выходной характеристики в широком диапазоне изменения температур;
10) отсутствие радиопомех;
11) малые габариты и масса.
По роду тока тахогенераторы можно разделить на тахогенераторы переменного и постоянного тока. Тахогенераторы переменного тока могут быть асинхронными и синхронными.
1.2. Синхронные тахогенераторы конструктивно представляют собой однофазные синхронные генераторы малой мощности с явно выраженными полюсами. Ротора таких генераторов выполняются в виде постоянных магнитов, имеющих форму звездочки.
1.3. Асинхронный тахогенератор по конструкции не отличается от двухфазного асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором. Он состоит из внешнего и внутреннего статора и ротора в виде полого немагнитного цилиндра.
Внешний и внутренний статоры набираются из листов электротехнической стали или пермаллоя. На статоре располагаются две сдвинутые в пространстве на 90 электрических градусов обмотки. Они могут быть расположены как на внешнем, так и на внутреннем статоре. Одна из обмоток подключается к сети и называется обмоткой возбуждения ОВ (рис. 4.1). С другой обмотки снимается выходное напряжение тахогенератора. Эта обмотка называется выходной, или генераторной ОГ. Полый ротор асинхронного тахогенератора, в отличие от ротора исполнительного двигателя, имеет большее активное сопротивление. Он выполняется из константана, специального манганина, фосфористой, марганцовистой бронзы или других сплавов, обладающих большим удельным сопротивлением, мало меняющимся при изменении температуры. Реже используются алюминиевые сплавы. При изготовлении полого ротора стремятся повысить однородность структуры его материала и выдержать точность его геометрических размеров. С целью уменьшения влияния неравномерности воздушного зазора и несимметрии ротора на выходную характеристику точные асинхронные тахогенераторы чаще всего имеют две пары полюсов
|
|
|
(2р = 4).
Принцип действия заключается в следующем.
1.3.1. При неподвижном роторе (n=0 ) ток обмотки возбуждения создает по продольной оси d пульсирующий с частотой сети магнитный поток ФВ, который, пронизывая ротор, наводит в нем ЭДС трансформации (рис.4.1). Контуры токов ротора от ЭДС трансформации располагается в плоскостях, перпендикулярных продольной оси d – оси потока возбуждения ФВ. Эти токи создают поток ротора Фd, который, согласно закону Ленца, направлен навстречу потоку возбуждения ФВ и, как в любом трансформаторе, компенсируется возрастающим током первичной обмотки – обмотки возбуждения.
Теоретически при неподвижном роторе в тахогенераторе имеется поток только по продольной оси – оси обмотки возбуждения, поэтому в генераторной обмотке, ось которой смещена на 90 эл. град. в обмотке возбуждения, никаких ЭДС наводится не должно. Однако у всех тахогенераторов и при n=0 на зажимах генераторной обмотки имеется незначительное по величине напряжение, которое называется остаточным. Причины его возникновения весьма разнообразные: а) неточный сдвиг обмоток на 90 эл. град.; б) несимметрия магнитной цепи; в) наличие потоков рассеяния; г) наличие ёмкостных связей между обмотками и т. п.
Большинство указанных причин приводят к тому, что в тахогенераторе при n=0 появляется поперечная составляющая магнитного потока, которая наводит ЭДС в генераторной обмотке.
1.3.2. При вращении ротора (n≠0 ) кроме ЭДС трансформации наводится ЭДС вращения (рис.4.2), пропорциональная частоте вращения. Под действием ЭДС вращения
по ротору протекают токи, контуры которых при большом
активном сопротивлении ротора практически совпадают с осью потока возбуждения ФВ. Эти токи создают свой магнитный поток ротора Фq, который направлен по поперечной оси q тахогенератора. Поток Фq индуцирует в генераторной обмотке ЭДС, пропорциональную частоте вращения. Частоты ЭДС генераторной обмотки, потока Фq и ЭДС вращения ротора равны частоте сети.
Главным техническим показателем работы асинхронного тахогенератора с полым ротором является линейность выходной характеристики U=ƒ(n). Отклонение от линейной зависимости выходного напряжения от частоты вращения обусловлено следующими факторами:
· изменением сопротивления обмоток под влиянием температуры и насыщения магнитопровода;
· падением напряжения на сопротивлении генераторной обмотки при включении на нагрузку;
|
|
|
· технологическими неточностями при изготовлении тахогенераторов;
· изменением параметров тахогенератора в функции частоты вращения, изменение сопротивления полого ротора и др.;
· реакцией якоря.
Нелинейность выходной характеристики обусловлена постоянством потока возбуждения и сопротивления ротора при изменении частоты вращения.
В асинхронных тахогенераторах погрешность (ΔU) выходной характеристики состоит из амплитудной и фазовой погрешностей. В современных тахогенераторах амплитудная погрешность при максимальной частоте вращения составляет 0,1…2,5%, а фазная – 5…15 градусов.
Асинхронные тахогенераторы изготавливаются на синхронные скорости от 1500 до 30000 об/мин при частоте 50…1000 Гц. Так как нелинейность выходной характеристики зависит от частоты вращения, то диапазон рабочих скоростей асинхронных тахогенераторов обычно не превышает 25% синхронной скорости. Максимальная рабочая частота вращения принимается номинальной; ей соответствует номинальное выходное напряжение.
К положительным качествам асинхронных тахогенераторов следует отнести:
1) бесконтактность;
2) малоинерционность;
3) наличие малого момента сопротивления;
4) большую надежность;
5) хорошую стабильность характеристик.
Недостатками асинхронных тахогенераторов являются:
1) нелинейность выходной характеристики;
2) наличие остаточного напряжения;
3) наличие фазовой погрешности;
4) малая выходная мощность;
5) большие габариты и масса.
6) низкий cosφ.
Выходная ЭДС асинхронного тахогенератора при питании его обмотки возбуждения постоянным током пропорциональна ускорению ротора. Тахогенератор в этом режиме является генератором – датчиком ускорений.
1.4. Тахогенераторы постоянного тока - это небольшие генераторы постоянного тока чаще с возбуждением от постоянных магнитов, реже – с независимым возбуждением. Конструктивно они не отличаются от обычных машин постоянного тока малой мощности. Существенным достоинством тахогенераторов с постоянными магнитами является отсутствие надобности в постороннем источнике возбуждения, малое влияние нагрева на выходную характеристику и простота устройства. Выходная характеристика тахогенератора постоянного тока представляет собой зависимость выходного напряжения на зажимах якоре UГ от частоты вращения n при постоянном магнитном потоке возбуждения ФВ и постоянном сопротивлении нагрузки RНАГР.
В идеальном случае при отсутствии реакции якоря и падения напряжения в щеточном контакте выходная характеристика тахогенератора постоянного тока представляется прямой линией UГ=cn, где с – коэффициент пропорциональности между потоком ФВ, ЭДС и частотой вращения при нагрузке тахогенератора RНАГР=∞ (рис.4.3, прямая 1). Чем меньше сопротивление нагрузки, тем меньше крутизна характеристики (рис.4.3, прямая 2). Линейность и крутизна выходной характеристики – основные показатели, определяющие качество работы тахогенератора постоянного тока.
В реальных условиях выходная характеристика тахогенератора постоянного тока несколько отличается от прямой линии вследствие размагничивающего действия якоря
и падения напряжения в щеточном контакте. Поэтому линейность выходной характеристики тем выше, чем больше сопротивление нагрузки тахогенератора и чем меньше частота вращения n.
За счет падения напряжения на щеточном контакте у тахогенератора постоянного тока появляется зона нечувствительности – зона частот вращения от n=0 до n=nмин (рис.4.3, прямая 3), при которых выходное напряжение тахогенератора равно нулю.
Наличие зоны нечувствительности является большим недостатком тахогенераторов постоянного тока. С целью уменьшения зоны нечувствительности тщательно подбирают щетки, чтобы обеспечить минимальное падение напряжения ΔUЩ. В тахогенераторах обычно устанавливаются медно-графитовые или серебряно-графитовые щетки, а в прецизионных тахогенераторах особенно ответственных систем автоматики даже проволочные щетки с серебряным, золотым или даже платиновым покрытием.
Влияние реакции якоря в тахогенераторах постоянного тока проявляется в виде искажения выходной характеристики. Из-за размагничивающего действия реакции якоря магнитный поток тахогенератора с увеличением скорости уменьшается, что приводит к отклонению выходной характеристики от прямой линии (рис.4.3, кривая 4).
С целью устранения влияния реакции якоря на линейность выходной характеристики в одних тахогенераторах увеличивают воздушный зазор и рассчитывают их так, что они работают на прямолинейном участке магнитной характеристики. Другие тахогенераторы, наоборот, выполняют сильно насыщенными и рассчитывают так, чтобы рабочая точка лежала на магнитной характеристики за её коленом.
Рабочая частота вращения у тахогенераторов постоянного тока лежит в пределах n = 1000÷7000 об/мин.
Достоинством тахогенераторов постоянного тока являются малые габариты и масса при большой выходной мощности, а у тахогенераторов с постоянными магнитами также отсутствие источника энергии для возбуждения.
Недостатком тахогенераторов постоянного тока является наличие щеточно-коллекторного узла. Его присутствие приводит к появлению зоны нечувствительности при малых скоростях; к несимметрии выходной характеристики, её нестабильности, к пульсации выходного напряжения и пр. Для уменьшения пульсации напряжения коллектор тахогенератора постоянного тока выполняется с большим числом пластин.
|
|
|
