Исследование машины постоянного тока с последова-тельным возбуждением

% / нед

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

Группа   АТП

Фамилия И.О.

Подпись

Дата 

Оценка

Студент

Консультант 

Коуров Г. Н.

Принял

Коуров Г. Н.

Содержание:

           Введение……………………………………………………………………… 4

             1 Краткие теоретические сведения о машинах постоянного тока               4

             2 Модель для исследования машин постоянного тока с последовательным

             возбуждением и описание ее блоков………………………………………   7

             3 Параметры машины………………………………………………………    7

             4 Параметры источника питания……………………………………………  8

             5 Параметры моделирования………………………………………………… 8

             6 Расчеты……………………………………………………………………….9

             7 Механические характеристики w=f(M)…………………………………   .10

             8 Рабочие характеристики w, I, M, ……………………   ……… 11

             Заключение……………………………………………………………………  14

             Список литературы…………………………………………………………….15

Изм

Лист

№ докум.

Подп

Дата

Разраб.

Исследование машины постоянного тока с последовательным возбуждением

Лит.

Лист

Листов

Пров.

Т. контр.

УГАТУ гр. АТП

Н. контр.

Утв.

Введение

            Курсовая работа состоит в  исследовании машины постоянного тока с последовательным возбуждением с использованием модели виртуальной машины, составленное с помощью программы Matlab. Для угловой характеристики необходимо вычислить значения момента (Н*м) и угла (град.). Рабочие характеристики машины постоянного тока представляют собой зависимости момента M, скорости вращения n, тока якоря I и коэффициента полезного действия от выходной мощности машины P . При снятии характеристик последовательно задаемся значениями момента в заданном интервале с шагом 10 Н*м. Для каждого значения момента осуществляется моделирование и заполняется определенная таблица измеренных и рассчитанных значений.

              Цель курсовой работы – исследование  машины постоянного тока при  работе в двигательном режиме.

              Основная задача курсовой работы  – снятие механических и расчет  рабочих характеристик машины  в двигательном режиме работы.

1. Краткие теоретические сведения о машинах постоянного тока

              Электрической машиной постоянного тока принято считать машину, которая генерирует в сеть или потребляет из нее постоянный ток.  Работа машин постоянного тока, как и машин переменного тока, основана на законе электромагнитной индукции. Устройство машин постоянного тока подобно устройству обращенной синхронной машины, у которых неподвижная часть – индуктор – создает основной магнитный поток Ф , а в находящемся внутри якоре происходит процесс электромеханического преобразования энергии: электрическую в механическую (двигатель) или обратно – механическую в электрическую (генератор).

               Электромагнитная схема машины постоянного тока приведена на рис. 1.

               Индуктор состоит из главных  полюсов (ГП), станины (ярмо) и дополнительных полюсов (ДП) (в микромашинах они, как правило, отсутствуют). Главные полюса создают основной магнитный поток в машине, для чего на них устанавливаются либо постоянные магниты (электрические машины с магнитоэлектрическим возбуждением) либо катушки возбуждения, токи которых обеспечивают требуемое значение основного магнитного потока машины. Число главных полюсов всегда четное, причем северные и южные полюса чередуются, что достигается соответствующим соединением катушек возбуждения отдельных полюсов. Мощность, потребляемая цепями возбуждения, составляет примерно 0,5 – 3,0% от номинальной мощности машины постоянного тока. Причем с увеличением мощности машины относительная величина потерь мощности на возбуждение падает. Сердечники полюсов изготовлены в виде пакета из листов электротехнической стали толщиной 0,5 – 1,0 мм. Если машина не является универсальной, т. е. магнитный поток не изменяется ни во времени, ни в пространстве, то в шихтовке ферромагнитного сердечника нет необходимости, т. к. активных потерь в сердечнике в этом случае, очевидно, нет. Крепление главных полюсов к ярму осуществляется с помощью болтов.

Лист

4

Изм

Лист

№ докум.

Подп

Дата

Рис. 1 – Электромагнитная схема машины постоянного тока

             Так как машина постоянного  тока является, по существу, электромеханическим преобразователем одного вида энергии в другой и работает на основании электромагнитной индукции, очевидно, необходимо чтобы хотя бы по части ее обмоток протекал переменный ток. В машине постоянного тока эту функцию выполняет якорная обмотка, которая уложена в пазы сердечника якоря, изготовленного в виде пакета из листов электротехнической стали.

              Для получения переменного тока  в обмотке якоря на валу  машины устанавливается механический коммутатор – коллекторно-щеточный узел. Якорная обмотка соединяется с коллектором, который представляет собой набор медных пластин толщиной 3 -15 мм, изолированных друг от друга непроводящими ток прокладками толщиной 1 мм. В маломощных машинах постоянного тока коллекторные пластины запрессовываются  в пластмассу. Для подвода (и отвода) тока к коллектору используются щетки.

              Одноякорные машины постоянного  тока изготавливаются мощностью  до 10000 кВт и напряжением до 1000 В. При необходимости обеспечить  на выходном валу большую величину мощности строятся двух-, трех- и четырехъякорные.

              При вращении якоря в неподвижном  магнитном поле со скоростью  n в секциях его обмотки наводится ЭДС, частота изменения которой определяется выражением

Лист

5

Изм

Лист

№ докум.

Подп

Дата

Коллектор преобразует переменную ЭДС, индуктированную в последовательно  соединенных секциях якорной обмотки, в постоянную ЭДС Е между коллекторными щетками. Посредством этих щеток вращающаяся обмотка якоря соединяется с внешней цепью постоянного тока. Между диаметрально расположенными щетками действует переменное напряжение, вектор которого не изменяется во времени и равен для верхней и нижней ветвей якорной обмотке величине Е. Для уменьшения пульсации ЭДС при переходе щеток с одной коллекторной пластины на другую в каждую параллельную ветвь обмотки якоря обычно включается не менее 16 активных проводников.

             Классификация двигателей та же, что и генераторы. Различаются двигатели постоянного тока: независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

             С независимым возбуждением выполняются  мощные двигатели с целью более удобного и экономичного регулирования тока возбуждения. По своим характеристикам они ничем не отличаются от двигателей с параллельным возбуждением.

             Энергетическая диаграмма двигателя  постоянного тока изображена  на рис. 2.

Рис. 2 – Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока

             Входная мощность  , передаваемая двигателю из электрической цепи, определяется выражением:

           Часть этой мощности расходуется  на покрытие потерь в обмотке  возбуждения   и в цепи якоря . Оставшаяся часть, равная электромагнитной мощности за вычетом магнитных потерь , потерь на трение подшипниках и вентиляцию и дополнительных потерь, обеспечивает на валу машины постоянного тока на выходную мощность .

Лист

6

Изм

Лист

№ докум.

Подп

Дата

2 Модель для исследования  машины постоянного тока с  последовательным возбуждением и описание ее блоков

            Схема модели виртуальной машины, составленная с помощью программы Matlab, изображена на рис. 3.

Рис. 3 – Модель для исследования машины постоянного тока с последовательным возбуждением

            Схема включает источник постоянного напряжения V для питания машины (из библиотеки Power System Blockset / Electrical Sources), блок Step (из библиотеки  Simulink / Sources) для задания вращающего момента на валу машины и снятия ее динамических характеристик, исследуемую машину постоянного тока с последовательным возбуждением (из библиотеки Power System Blockset / Machines / DC Machines), прибор для измерения переменных состояния машины Display (из библиотеки Simulink / Sinks), блок Demux разделяющий входной вектор на его составляющие (из библиотеки Simulink / Signals&Systems) и прибор для визуального наблюдения токов и напряжений, а также кривых переходных процессов изменений скорости и момента исследуемой машины Scope (из библиотеки Simulink / Sinks).

3 Параметры машины

             Исходные данные для исследуемой модели машины постоянного тока:

• сопротивление обмотки якоря – 0,37 Ом;
• индуктивность обмотки якоря - 0,009 Гн;
• сопротивление обмотки возбуждения - 5,31 Ом;
• индуктивность обмотки якоря -0,01 Гн;
• взаимная индуктивность - 0,115 Гн;
• момент инерции J – 0,001 ;
• угловая скорость  – 400 рад/с.

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подп

Дата

Рис. 4 – Окно настройки параметров машины

4 Параметры источника  питания

           Источник питания имеет только  один параметр: амплитуда источника  – 660 В. Напряжение источника должна соответствовать параметрам машины.

Рис. 5 – Окно настройки параметров источника питания

5 Параметры моделирования

            Время расчета - 0÷1с.

            Способ моделирования – переменный.

            Метод расчета (для непрерывных  систем) – ode23tb (stiff/TR-BDF2).

            При выборе способа моделирования «Переменные» в области появляются поля установки трех параметров:

• Max step size – максимальный шаг расчета;
• Min step size – минимальный шаг расчета;
• Initial step size – начальное значение шага моделирования.

При моделировании непрерывных  систем с использованием переменного шага необходимо указать точность вычислений: относительную (Relative tolerance) и абсолютную (Absolute tolerance).

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подп

Дата

Рис. 6 – Окно задания параметров настройки

6 Расчеты

            При снятии характеристик в окне настройки блока Moment последовательно задаются значения момента от 5 Н*м до 100 Н*м с шагом 10 Н*м. Для каждого значения момента осуществляется моделирование и заполняется таблица №1 измеренных и рассчитанных значений.

Таблица №1

            На  вход TL блока DC Machine подается момент нагрузки (рис. 3), выход m предназначен для измерения и наблюдения переменных состояния машины в следующей последовательности: угловая скорость (рад/с), ток якоря (А), ток возбуждения (А), электромагнитный момент (Н*м), значения которых представлены таблицей №1.

             Расчет осуществляется по выражениям:

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подп

Дата

           Для момента М=5 Н*м

           Таким образом, рассчитываются  мощности и КПД для других  значений моментов.

7 Механические характеристики  машины w=f(M)

            В двигателе с последовательным возбуждением поток и момент зависят от тока якоря. Поэтому механические характеристики машины определяются выражением:

             Форма этих характеристик при  малых нагрузках имеет гиперболический  характер, что говорит о необходимости исключения такого режима работы машины.

             У двигателей независимого (параллельного)  возбуждения M~ , а у двигателей последовательного возбуждения приблизительно M~ . Поэтому последние при пуске развивают значительно больший момент. Если скорость первых можно считать не зависящей от момента w=const, то скорость вторых зависит от него, примерно, в соответствии с выражением

            При изменении момента нагрузки в широких пределах диапазон изменения мощности у двигателей с последовательным возбуждением значительно меньше, что и обусловило их широкое использование в тяговом электроприводе.

            Так как рассчитать механические  характеристики последовательного возбуждения, в связи с нелинейностью кривой намагничивания машины, весьма затруднительно, в каталогах приводятся естественные характеристики w=f( ) и M=f( ).

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подп

Дата

Используя полученные значения угловой скорости и момента (таблица  №1), построим механическую характеристику машины w=f(M).

Рис. 7 – Механическая характеристика w=f(M)

8 Рабочие характеристики w, I, M,

           Рабочие характеристики двигателя постоянного тока представляют собой зависимости момента M, скорости вращения w, тока якоря и коэффициента полезного действия η от выходной мощности двигателя . Используя значения таблицы №1, построим рабочие характеристики двигателя.

Рис. 8 – Рабочая характеристика w=f(P2)

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подп

Дата

Рис. 9 – Рабочая характеристика I=f(P2)

Рис. 10 – Рабочая характеристика M=f(P2)

               Из рис. 9 и 10 видно, что с увеличением нагрузки на валу двигателя

растет момент M на его валу, а также растет ток якоря I. 

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подп

Дата

Рис. 11 – Рабочая характеристика P1=f(P2)

Рис. 12 – Рабочая характеристика η=f(P2)

             Из рис. 11 видно, что увеличение нагрузки приводит к росту мощности,

забираемой из сети.

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подп

Дата

Заключение 

          В курсовой работе я рассмотрел  принцип действия и конструкцию  машин постоянного тока, в соответствии с виртуальной моделью  машины построил механические и рабочие характеристики при ее работе в двигательном режиме.

          После построения и изучения  характеристик я определил, что  двигатель последовательного возбуждения имеет удобную для транспортных установок механическую характеристику, когда с уменьшением частоты вращения растет момент. В двигателях последовательного возбуждения ток возбуждения равен току якоря.

          Двигатели последовательного возбуждения  из-за особенностей своей механической характеристики не могут применяться в электроприводах, в которых возможно уменьшение момента сопротивления до нуля, что приведет к уменьшению тока в якоре и снижению потока, и двигатель пойдет вразнос. При этом увеличится частота вращения и машина может выйти из строя.

         При изучении рабочих характеристик  определил, что с увеличением  нагрузки на валу двигателя растет момент на валу двигателя M, а частота вращения немного падает. Увеличение нагрузки приводит к росту мощности , забираемой из сети, и росту тока якоря .

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подп

Дата

Список литературы

1. Брускин Д. Э., Зорохович А. Е., Хвостов В. С. Электрические машины. В 2-х ч. М.: Высшая школа, 1988.
2. Герман-Галкин С. Г., Кардонов Г. А. Электрические машины: Лабораторные работы на ПК.- СПб.: КОРОНА принт,2003. – 256 стр., ил.

            3.     Копылов И. П. Электрические машины: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. – М.: Высшая школа; Логос; 2000. – 607 стр.

Лист

Изм

Лист

№ докум.

Подп

Дата