Исследование характеристик электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения в установившихся режимах работы
 Скачать 0.68 Mb.
|
|
Лабораторная работа Исследование характеристик электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения в установившихся режимах работы Цель работы: исследование характеристик двигателя постоянного тока независимого возбуждения в установившихся режимах работы средствами программного пакета MATLAB Simulink. Продолжительность работы: 4 часа. Оборудование: персональный компьютер, программный пакет MATLAB Simulynk. Теоретические сведения Двигатель постоянного тока используется в прецизионных электроприводах, требующих регулирования частоты вращения в широком диапазоне. Электрическая машина постоянного тока обратима, т. е. возможна ее работа в качестве двигателя или генератора. Свойства двигателя и генератора постоянного тока определяются способом возбуждения и схемой включения обмоток возбуждения. По способу возбуждения различают двигатели постоянного тока с магнитоэлектрическим и электромагнитным возбуждением [1 - 5]. Последние в свою очередь подразделяются на двигатели с параллельным, последовательным, смешанным и независимым возбуждением (рис.1).  Рис. 1. Схема двигателя постоянного тока независимого возбуждения: Я - якорь; ОВ - обмотка возбуждения: Iв - ток обмотки возбуждения; Uв - напряжения на обмотке возбуждения; Ф - магнитный поток; Iя - ток якоря; U - напряжение питания; Rд - добавочное сопротивление Например, если в системе управления с использованием генератора в обратной связи отсоединить генератор от первичного двигателя и подвести напряжение к обмоткам якоря и возбуждения, то якорь начнет вращаться, и машина будет работать как двигатель постоянного тока, преобразуя электрическую энергию в механическую энергию. Двигатель независимого возбуждения наиболее полно удовлетворяет основным требованиям к исполнительному механизму: самоторможение двигателя при снятии сигнала управления, широкий диапазон регулирования частоты вращения, линейность механических и регулировочных характеристик двигателя, устойчивость работы во всем диапазоне частот вращения, малая мощность управления, высокое быстродействие, малые габариты и масса. Однако двигатель постоянного тока имеет существенные недостатки, из-за которых ограничивается область его применения: малый срок службы щеточного устройства вследствие наличия скользящего контакта между щетками и коллектором, скользящий контакт является источником радиопомех. Для расчета механической характеристики электродвигателя постоянного тока [1-5] независимого возбуждения, подставляя в уравнение для напряжения в якорной цепи ток и ЭДС якоря  и  , получим: , ,где  - сопротивление якорной цепи;  - якорное сопротивление.Электродвижущая сила (ЭДС) якоря пропорциональна угловой скорости ω, связь между ЭДС и угловой скоростью, а также между вращающим моментом  и в системе единиц СИ определяется единым электромагнитным коэффициентом: ,где p - число пар полюсов двигателя; N - число проводников обмотки якоря; a - число пар параллельных ветвей обмотки якоря. Соответственно  ,где α - конструктивный коэффициент. Следовательно, имеем  или  .Тогда ЭДС якоря [4] имеет ,момент  ,напряжение, подаваемое на двигатель,  ,откуда  .Механическая характеристика двигателя постоянного тока записывается в виде  .Следовательно, механическая характеристика при Ф = const представляет собой прямую линию. Угловую скорость, соответствующую при М = 0 и номинальном напряжении Uном запишем в виде  ,ее называют угловой скоростью идеального холостого хода (рис.2).  Рис. 2. Механические характеристики двигателя постоянного тока в двигательном режиме. Условные обозначения: Rд, Rд2, Rд3 - добавочные сопротивления, Rд2 < Rд3 При постоянном моменте сопротивления получаем схему нагружения двигателя для анализа установившихся режимов работы двигателя постоянного тока (рис.3). Такая схема нагружения двигателя постоянного тока соответствует подъему или спуску постоянного груза.  Рис.3. Структурная схема нагружения двигателя постоянного тока для постоянного момента сопротивления Следовательно, получаем обобщенные механические характеристики двигателя постоянного тока (рис.4).  Рис. 4. Механические характеристики двигателя постоянного тока В первом квадранте (рис.4) двигатель постоянного тока находится в двигательном режиме и потребляет энергию из сети. При вращении якоря со скоростью >0 двигатель постоянного тока переходит из двигательного режима с моментом М>0 (первый квадрант) в генераторный режим (второй квадрант) с отрицательным вращающим моментом (якорь вращается под действием инерции исполнительного механизма). При этом момент М<0 и Iя<0, т.е. двигатель постоянного тока отдает энергию в сеть. Подставив в выражение для механической характеристики =0, R=Rя, U=Uном, получим (рис.4) пусковой момент  .Так как пусковой ток  , то  .При включении двигателя без добавочного резистора (естественная характеристика 1) груз поднимается со скоростью двигателя 1. При включении добавочного резистора (искусственная характеристика 2) груз неподвижен (2=0). При работе двигателя в режиме, определяемом характеристикой 3, груз опускается со скоростью 3. Искусственная характеристика 4 соответствует режиму динамического торможения, заключающемуся в отсоединении якорной цепи от источника и замыкании ее на добавочный резистор. Характеристика 5 аналогична характеристике 2, но напряжение U=–Uном. Характеристика 6 параллельна характеристике 1 и соответствует во втором квадранте противовключению при подаче напряжения U=–Uном. Соответственно при пересечении линии (рис.4), параллельной оси M и проходящей через точку (0,  ), с характеристикой 1, 4, 5 и 6 получаем точки a, b, c и d. Механическая характеристика двигателя постоянного тока независимого возбуждения линейна. При напряжении U = Uном. и дополнительном сопротивлении Rд = 0 получаем естественную механическую характеристику. Механические характеристики подразделяются на две группы при U = var,R=const (рис. 5) и при U = const,R= var (рис. 6).  Рис. 5. Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения при U = var,R=const  Рис. 6. Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения при U = const,R=var Задание Исследуйте работу двигателя постоянного тока в MATLAB, промоделируйте структурные схемы в Simulink и исследуйте механическую характеристику двигателя постоянного тока независимого возбуждения.  Рис. 7. Схема моделирования двигателя постоянного тока независимого возбуждения Задать параметры нагрузки в системе Matlab Simulink, в окне Source Block Parameters: Moment в соответствии с рис. 8.  Рис. 8. Окно Source Block Parameters: Moment Задать электрические параметры двигателя в окне Block Parameters: DC Machine рис. 9.  Рис. 9. Окно Block Parameters: DC Machine Задать напряжение питания двигателя постоянного тока независимого возбуждения в окне Block Parameters: DC Voltage Sourse в соответствии с рис. 10.  Рис. 10. Окно Block Parameters: DC Voltage Sourse для настройки параметров источника питания Построить графики переходных процессов для тока якоря, скорости вращения, момент нагрузки, тока обмотки возбуждения и записать значения параметров при заданном моменте нагрузки. Нажать кнопку Start системе Matlab Simulink, в окне модели. Нажать на элемент Scope и с задержкой нажать на кнопку Autoscale.  Рис. 11. Окно Scope графики переходных процессов Построить графики переходных процессов для тока якоря, скорости вращения, момент нагрузки, тока обмотки возбуждения и записать значения параметров при измененных значениях моментах нагрузки. Составить таблицу зависимости числа оборотов в минуту от момента нагрузки в MS Excel. Построить механическую характеристику двигателя постоянного тока независимого возбуждения рис. 12 используя программу MS Excel и таблицу зависимости числа оборотов в минуту от момента Нм нагрузки. n  MРис. 12. Механическая характеристика двигателя постоянного тока независимого возбуждения Контрольные вопросы Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Противоэлектродвижущаяся сила якоря двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Электромагнитный момент двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Единый электромагнитный коэффициент двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Скорость холостого хода двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Двигательный режим работы двигателя постоянного тока. Генераторный режим работы двигателя постоянного тока. Режим противовключения двигателя постоянного тока. |