Тахогенераторы постоянного тока.

 

Тахогенератор постоянного тока – машина постоянного тока с независимым возбуждением (рис. 4.28 а) или возбуждением постоянными магнитами (рис. 4.28 б), работающая в генераторном режиме.

 

 

Рис. 4.28. Схема включения тахогенератора постоянного тока с возбуждением:

а – независимым; б – от постоянных магнитов

 

Якорь тахогенератора жестко закреплен на валу, скорость вращения которого требуется измерить, а обмотку якоря подключают, например, к вольтметру. Так как тахогенератор практически работает в режиме холостого хода, то напряжение на его зажимах равно ЭДС, которая, в свою очередь, пропорциональна скорости вращения вала. , поэтому вольтметр непосредственно можно проградуировать в об/мин.

 

Бесконтактные двигатели постоянного тока.

 

Отличие бесконтактных двигателей постоянного тока от коллекторных состоит в том, что в них отсутствует щеточно-коллекторный узел, который заменен полупроводниковым коммутатором. Рабочая обмотка двигателя (обмотка якоря) расположена на статоре, а магнитный поток машины создается постоянным магнитом, который является ротором (рис. 4.29). Кроме того, на статоре расположены датчики Холла, которые управляют работой коммутатора(рис. 4.30).

Пусть, например, ротор двигателя находится в положении, при котором датчик Холла ДХ1 вырабатывает сигнал, открывающий транзисторVT2. При этом возникает ток I₂, который проходя через обмотку W₂ создает магнитное поле. Взаимодействие магнитных полей статора и ротора поворачивает ротор против часовой стрелки таким образом, чтобы эти поля совпали по направлению. После поворота ротора на 90̊ градусов датчик Холла ДХ2 будет вырабатывать сигнал, 

Рис. 4.29. Схема устройства бесконтактного двигателя постоянного тока

 

Рис. 4.30. Схема включения бесконтактного двигателя постоянного тока

 

открывающий транзистор VT3. Это вызовет новый поворот ротора на 90˚ против часовой стрелки. Таким образом, поочередное включение транзисторов VT2 – VT3 – VT4 – VT1 – VT2 и так далее вызывает вращение ротора. Для изменения направления вращения ротора изменяют направление тока в датчиках Холла. Мощность бесконтактных двигателей постоянного тока не превышает 120 Вт.

Высокомоментные двигатели постоянного тока.

 

К двигателям специальной конструкции относятся машины с возбуждением при помощи постоянных магнитов. В этом двигателе реакция якоря практически не влияет на основной магнитный поток, поэтому он может развивать повышенный электромагнитный момент.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

 

4.1. Как изменится напряжение на зажимах якоря генератора постоянного тока независимого возбуждения, работающего на нагрузку с постоянным сопротивлением R_н, если: уменьшить ток в цепи возбуждения?; увеличить скорость вращения якоря?

4.2. Как по заданным значениям тока якоря, напряжения на зажимах якоря и семейству внешних характеристик ГПТ независимого возбуждения определить ЭДС обмотки якоря? Задачу решить графически.

4.3. Как по заданным значениям тока возбуждения, напряжения на зажимах якоря, и семейству внешних характеристик ГПТ независимого возбуждения определить ток короткого замыкания? Задачу решить графически.

4.4. Как по заданным значениям тока якоря, тока возбуждения и семейству внешних характеристик  ГПТ независимого возбуждения определить напряжение на зажимах якоря? Задачу решить графически.

4.5. Какие условия необходимы для того чтобы произошло самовозбуждение ГПТ параллельного возбуждения?

4.6. Что произойдет при обрыве цепи возбуждения ДПТ параллельного возбуждения, если он работает: а) с номинальном моментом на валу; б) в холостую?

4.7. Двигатель постоянного тока при вращении рабочей машины потребляет некоторый ток. Изменится ли величина этого тока, если рассоединить муфту сцепления между валами рабочей машины и двигателя?

4.8. Как изменится скорость вращения ДПТ независимого возбуждения, если увеличить напряжение сети?

4.9. Как изменится скорость вращения ДПТ независимого возбуждения, если включить сопротивление в цепь якоря?

4.10. Как изменится скорость вращения ДПТ независимого возбуждения, если уменьшить ток в цепи возбуждения?

4.11. Как изменится скорость вращения ДПТ независимого возбуждения, если уменьшить механическую нагрузку на валу двигателя?

4.12. При включении двигателя постоянного тока в сеть возникает вращающий момент. Известно, что если на тело (ротор) действует момент, оно получает ускорение. Означает ли это, что скорость вращения ротора будет увеличиваться до бесконечности? Трением пренебречь.

4.13. Амперметр, включенный в цепь якоря двигателя постоянного тока независимого возбуждения, который работает под нагрузкой, увеличил показание в 2 раза. Назовите возможные причины увеличения тока. Как и почему изменяется ток якоря двигателя постоянного тока независимого возбуждения с момента включения в сеть до установившегося режима? Показать временную диаграмму.

4.14. Какими способами можно реверсировать двигатель постоянного тока независимого возбуждения? Нарисовать одну из схем с применением двухполюсного переключателя.

4.15. Двигатель постоянного тока независимого возбуждения работает в режиме А. Как перевести работу двигателя в новый режим, соответствующий точке: 1) В; 2) С; 3) D; 4) М; 5) N (см. рис. 4.31).

 

Рис. 4.31.  Механические характеристики ДПТ.

 

Объяснить с помощью механической характеристики, как проходит переходный процесс.

4.16. Как и почему изменяется ток якоря двигателя постоянного тока независимого возбуждения с момента включения в сеть до установившегося режима? Показать временную диаграмму.

4.17. Позволяют ли схемы с помощью двухполюсного переключателя SA с нейтральным положением реверсировать двигатель постоянного тока? Нарисуйте с помощью такого же переключателя еще одну схему реверсирования.

4.18. Во сколько раз изменится ток якоря двигателя постоянного тока параллельного возбуждения, если напряжение сети уменьшилось на 20%, а момент нагрузки остался неизменным. Зависимость магнитного потока от тока возбуждения показана на рисунке.

4.19. Почему механическая характеристика двигателя постоянного тока является «падающей», что казалось бы противоречит здравому смыслу, то- есть с увеличением электромагнитного вращающего момента скорость двигателя не увеличивается, а уменьшается?

4.20. На рисунке показаны механические характеристики двух различных двигателей постоянного тока, валы которых жестко и соосно соединены между собой. Какую угловую скорость будет развивать этот агрегат в режиме холостого хода и под нагрузкой если, включенные в отдельности они развивают: а)- однонаправленные моменты; б)- встречные моменты. Задачу решить графически и показать на механических характеристиках все четыре скорости.

4.21. По графику тока и частоты вращения двигателя объяснить какие изменения произошли в схеме питания двигателя постоянного тока параллельного возбуждения в момент времени t_o.

4.22. Какие изменения произошли в схеме питания двигателя постоянного тока параллельного возбуждения (назвать 4 возможные причины), если уменьшилась частота вращения?

4.23. Как будет изменяться ток якоря и частота вращения двигателя постоянного тока параллельного возбуждения в новом установившемся режиме, если в момент времени t_o скачкообразно увеличили момент сопротивления на его валу? Показать график переходного процесса этих параметров.

4.24. Двигатель постоянного тока поднимает груз. Если переключателем SA отключить электродвигатель от сети и замкнуть обмотку якоря на сопротивление R, то под действием веса груз начнет опускаться. Как следует изменить сопротивление R, чтобы спуск груза происходил с возможно меньшей скоростью? Пояснить с помощью механических характеристик.

4.25. Генератор постоянного тока независимого возбуждения приводится во вращение первичным двигателем с частотой 1500 об/мин. Номинальные значения тока и напряжения соответственно 5А и 110В. При нагрузке 2,5А напряжение на якоре равно 115В. Характеристика холостого хода Ея=20+200×I_в  Определить ток короткого замыкания, ток возбуждения, мощность генератора, вращающий момент первичного двигателя, напряжение генератора при нагрузке 4А, ток нагрузки при напряжении 116В, сопротивление нагрузки при токе 4А.

4.26. Генератор постоянного тока независимого возбуждения, характеристика холостого хода которого задана аналитически Ея=20+200×I_в питает нагрузку сопротивлением r_н. Сопротивление обмотки якоря 5 Ом. Определить напряжение холостого хода, ток цепи возбуждения, ток короткого замыкания, сопротивление нагрузки, если напряжение на зажимах якоря 100 В, ток якоря 1А.

4.27. Генератор постоянного тока независимого возбуждения, характеристика холостого хода которого задана аналитически Е_я=20+200I_в питает нагрузку сопротивлением r_н. Сопротивление обмотки якоря 5 Ом. Определить напряжение холостого хода, ток якоря, ток короткого замыкания, сопротивление нагрузки, если напряжение на зажимах якоря 80 В, ток цепи возбуждения 0,4 А

4.28. Генератор постоянного тока независимого возбуждения, характеристика холостого хода которого задана аналитически Е_я=20+200I_в питает нагрузку сопротивлением r_н. Сопротивление обмотки якоря 5 Ом. Определить напряжение на зажимах якоря, напряжение холостого хода, ток короткого замыкания, сопротивление нагрузки, если ток якоря 4А, ток возбуждения 0,55 А.

4.29. Показания приборов в номинальном режиме: I₁=5 А, I₂=0,25 А, U=115В (рис. 4.30). Определить показание амперметра А1, если при изменении нагрузки вольтметр показал 112 В. Считать характеристику холостого хода линейной в интервале тока возбуждения от 0,15 до 0,35 А. Определить сопротивление нагрузки r_н для режима, при котором вольтметр показал 69 В.

Рис. 4.30. Генератор постоянного тока: схема включения и

характеристика холостого хода.

 

4.30 При исследовании генератора постоянного тока независимого возбуждения (рис. 4.32) снимались характеристика холостого хода (см. рис. 4.32 б) и семейство внешних характеристик (см. рис. 4.32 в) с помощью трех приборов: амперметра в цепи возбуждения, амперметра и вольтметра в цепи якоря. По показаниям двух приборов определить две неизвестные величины и заполнить две пустые клетки таблицы данных по вариантам.

 

Таблица данных по вариантам

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

0,25

0,4

2,5

×

×

×

5

80

60

×

×

×

 

 

 

Рис. 4.32. Генератор постоянного тока: а – схема включения;

б – характеристика холостого хода; в – семейство внешних характеристик

4.31 Генератор постоянного тока независимого возбуждения, характеристика холостого хода которого задана аналитически , приводится во вращение асинхронным двигателем с постоянной угловой скоростью . Напряжение и ток обмотки возбуждения, нагрузка генератора и напряжение на его зажимах контролируются приборами V1, А1, A2 и V2 (рис. 4.33).

Рис. 4.33.

 

С помощью переключателя SA можно установить три режима работы генератора. По заданным величинам (табл. 4.33) определить неизвестные и заполнить таблицу. Здесь P – мощность, развиваемая генератором.

 

 

Таблица вариантов к задаче 4.31

№ вар.	Цепь LG		1-е полож. SA			2-е полож. SA			3-е полож. SA			Сопротивления
	(В)	(А)	(В)	(А)	P (Вт)	(В)	(А)	P (Вт)	(В)	(А)	P (Вт)	(Ом)	(Ом)	(Ом)
1	24	0,1				54	1
2	24		80			72		80
3	48					90				10				240
4		0,25				110					1440			192
5			140				1			7				160
6	24	0,1					2				1200
7	24		80					160		20
8	48							200			2000			240
9		0,25				110	2							192
10			140			120				14				160
11	24	0,1				54		180
12	24		80			72					2400
13	48						3			30				240
14		0,25					3				3600			192
15			140					420		21				160
16	24	0,1						240			2400
17	24		80			72	4
18	48					90		400						240
19		0,25				1120				48				192
20			140			120					3920			160
21	24	0,1					5			50
22	24		80				5				4000
23	48							500		50				240
24		0,25						600			7200			192
25			140			120	5							160

 

Построить в масштабе внешнюю характеристику генератора по трем точкам, соответствующим режимам работы генератора

4.32. Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения мощностью Р_н=0,45 кВт, напряжением U_н=110В потребляет ток I_н=5А и развивает скорость n_н=1500 об/мин. Сопротивление обмотки якоря и возбуждения соответственно 1,8 и 183Ом. Определить ЭДС якоря, электромагнитный момент, КПД двигателя, пусковой момент, скорость вращения двигателя при М=0,5 М_н ,ток якоря при М=М_н, если в 2 раза уменьшили магнитный поток

4.33. Определить номинальный электромагнитный момент двигателя постоянного тока независимого возбуждения, включенного в сеть напряжением =220 В, если в номинальном режиме он развивал 1400 об/мин, при включении сопротивления в цепь якоря =2 Ом — 1200 об/мин, а в режиме холостого хода — 1500 об/мин. Какова мощность на валу двигателя, потребляемая мощность и КПД?

4.34. По результатам двух опытов определить сопротивление обмотки якоря двигателя постоянного тока независимого возбуждения, включённого в сеть напряжением 220 В. При нагрузке, соответствующей току якоря 9А двигатель вращался с частотой =3000 об/мин, а при токе 4,5 А — =3100 об/мин. Определить электромагнитные моменты в обоих случаях, а также частоту вращения при холостом ходе?

4.35. Двигатель постоянного тока независимого возбуждения должен приводить в движение рабочую машину с моментом сопротивления 5 Нм и угловой скоростью 800 об/мин. Известны паспортные данные двигателя: , U=220В, =1600 об/мин, I=8А. Какое сопротивление необходимо включить в цепь якоря, чтобы обеспечить заданный режим?

4.36. Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения при номинальном токе 10А развивает угловую скорость  = 1000 об/мин. Если последовательно с его сопротивлением =2 Ом включить добавочное сопротивление 4 Ом, то при номинальной нагрузке он вращается с частотой 800 об/мин. Определить величину добавочного сопротивления, чтобы при номинальном моменте на валу двигатель вращался с частотой 600 об/мин? С какой частотой он будет вращаться при этом добавочном сопротивлении, если снизить механическую нагрузку, при которой амперметр показал 5А?

4.37. Определить пусковое сопротивление r_пуск для ограничения пускового тока до 20А двигателя постоянного тока независимого возбуждения, естественная электромеханическая характеристика которого показана на рисунке. Сопротивление обмотки якоря r_я=1 Ом.

Рис. 4.34. Электромеханическая характеристика ДПТ независимого возбуждения.

4.38. Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения в режиме холостого хода вращается с чистотой 1500 об/мин, а в номинальном режиме, поднимая груз, - 1400 об/мин. Какое сопротивление необходимо включить в цепь якоря, чтобы: а) прекратился подъем груза и двигатель остановился; б) двигатель перешел на тормозной режим и груз опускался бы при частоте вращения 200 об/мин. Сопротивление ОЯ r_я=1Ом.

4.39. Какую частоту вращения развивает двигатель постоянного тока смешанного возбуждения, номинальное напряжение и ток которого соответственно равны 220 В и 5 А с добавочным сопротивлением 6 Ом в цепи якоря при токовой нагрузке 2,5 А? Суммарное сопротивление обмотки якоря и последовательной обмотки возбуждения 2 Ома. Естественная электромеханическая характеристика двигателя показана на рисунке. Какую часть магнитного потока создает параллельная и последовательная обмотки возбуждения в номинальном режиме? Определить момент и мощность на валу двигателя в номинальном режиме.

 

 Рис. 4.35. Электромеханическая характеристика ДПТ смешанного возбуждения.

 

4.40 Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения П З1 имеет следующие номинальные данные: , , , сопротивления последовательной и параллельной обмоток возбуждения соответственно , .

 Определить общие потери в двигателе и в отдельности потери в цепи возбуждения, якоря и механические. Определить сопротивление регулировочного реостата в цепи возбуждения, позволяющее повысить частоту вращения двигателя в 2 раза. Как следует уменьшить момент нагрузки, чтобы при ослаблении магнитного потока ток якоря не превышал номинального значения. Кривая намагничивания для двигателя в относительных единицах показана на рисунке. (см. задание 4.18)

4.41 Электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения, включенный в сеть напряжением U, вращается со скоростью n под нагрузкой с моментом сопротивления М_с. В рабочем режиме двигатель характеризуется следующими параметрами: током в цепи возбужденияI_в, сопротивлением в цепи якоряr_я, током и ЭДС обмотки якоря I_я и I_я и электромагнитным вращающим моментомM_эм. Определить, как изменятся в установившемся режиме два из четырех параметров (n, I_я, Е_я,M_эм), если изменить один из независимых параметров (U, r_ця, I_в, М_с) (табл. 4.41).

                                                      Таблица вариантов                             Таблица 4.41

Определяемые параметры	Изменяемый независимый параметр
	увеличить				уменьшить
	U	rця	Iв		U	rця	Iв
n, Iя	1	2	3	4	17	18	19	20
Ея, Mэм	5	6	7	8	21	22	23	24
Ея, Iя	9	10	11	12	25	26	27	28
n, Mэм	13	14	15	16	29	30	31	32

4.42. Для двигателя постоянного тока последовательного возбуждения определить пусковое сопротивление, при котором пусковой ток I_п=2,5∙I_н, и также определить пусковой момент. Паспортные данные двигателя: Р_н=0,5+0,1∙N кВт, U_н=220В, η=500+50∙N об/мин, I_н=5А. Здесь N-номер варианта.

Общее сопротивление обмотки якоря и обмотки возбуждения r_я+r_в=8Ом. Зависимость магнитного потока от тока якоря изображена на рисунке.

 

Рис. 4.36. Зависимость магнитного потока от тока якоря

 

4.43 Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения характеризуется  следующими  номинальными  величинами (табл. 4.43):  мощностью на валу , развиваемым моментом , напряжением сети , скоростью вращения , КПД , мощностью, потребляемой двигателем из сети, , потребляемым током , потерями в обмотке якоря ∆Р_я и обмотке возбуждения , суммарными механическими и магнитными потерями ∆Р_м, общими потерями в двигателе , током в обмотке возбуждения I_в. В режиме холостого хода двигатель потребляет ток  и мощность . Обмотка якоря в нагретом состоянии имеет сопротивлениеr_я, обмотка возбуждения – r_в.

    По данным величинам определить неизвестные и заполнить таблицу. Определить пусковой ток и пусковой момент двигателя. Построить естественную механическую характеристику и характеристику при включении в цепь якоря сопротивления, которое ограничивает пусковой ток до 2,5 I_н. Построить рабочие характеристики двигателя ; ;  (где  – мощность на валу двигателя) при значениях мощности 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1,25 . Потерями в обмотке якоря при холостом ходе пренебречь.

Таблица вариантов                                      Таблица 4.43

№ вар.				U
	кВт	Нм	об/м	В	кВт	%	А	А	кВт	кВт	кВт	кВт	кВт	А	Ом	Ом
1			980		70,6		635							70	0,01	3,7
2	10		2250	220		85				0,65	0,52
3		40			4,7		21		0,7	0,26						220
4	6,6		2400			85	30				0,39				0,35
5			2100		5,2		25					0,25			0,45	230
6		25		220			15			0,16	0,14		0,3
7		32			9,4	85	45			0,52						110
8			1050	110	90,5						4,45		9,2		0,007
9	80	800		110			850								0,007	3,0
10	92		970		108		1000			5,95	5,3
11		610	1050	110			700			4,3						3,0
12		150	2200			85	400				2,0				0,014
13		300		110			500					2,8			0,011	4,4
14			1000	220		85	77			0,97	0,8
15		120	970	220		85				0,77						38
16	60		1000				640				3,2			71	0,01
17	10		2200	220		85				0,65						9,0
18		40			4,7		21		0,7	0,25	0,23
19	6,5		2500			85	30								0,35	140
20			2100		5,2		25				0,21	0,25			0,45
21		25		220			15			0,15			0,45			280
22		32			9,4	85	45			0,5	0,46
23	77		1050	110									9,2		0,007	2,8
24	80	800					850					4,72			0,007
25	90		970		105		1000			6,0						2,2

Методические указания к решению задач, решения и ответы.

                    

    4.1. При уменьшении тока возбуждения уменьшается магнитный поток (характеристика ), уменьшаются ЭДС якоря () ток в цепи якоря  и напряжение на зажимах якоря . При увеличении скорости вращения якоря увеличивается ЭДС () и напряжение на зажимах якоря.

    4.2. Через заданную точку  провести параллельную внешнюю характеристику. Точка пересечения этой характеристики с осью напряжения определит ЭДС якоря заданного режима.

    4.3. С помощью интерполяции провести новую внешнюю характеристику ГПТ, соответствующему заданному току возбуждения, и по заданному напряжению определить ток якоря. Ток короткого замыкания определится на пересечении этой характеристики с осью абсцисс.

    4.4. Решение аналогично задачи 4.3.

    4.6. При обрыве цепи возбуждения остаточный магнитный поток очень мал, что вызывает резкое увеличение тока якоря (), так как двигатель будет стремится развивать момент, равный моменту на валу (свойства саморегулирования). Ток якоря может увеличится только при уменьшении ЭДС за счет резкого снижения скорости  и возможно до полной остановки двигателя.

    Если двигатель работает в холостую , следовательно, ток якоря . В соответствии со вторым законом Кирхгофа . Но так как магнитный поток очень мал, то это равенство возможно при резком увеличении скорости,  при которой двигатель идет «в разнос».

4.7. При рассоединении муфты сцепление двигатель будет работать в режиме холостого хода, при котором . При этом ток якоря в режиме холостого хода теоретически будет так же равен нулю .

    4.8. 4.9. 4.10. 4.11. В установившемся режиме, когда скорость вращения двигателя постоянная (n=const) наступает механическое равновесие, при котором вращающий электромагнитный момент , равен моменту сопротивления