Лабораторная работа №4 исследование машины постоянного тока

Цель работы. Исследование машины постоянного тока при работе в двигательном и генераторном режимах.

Содержание работы. Работа включает в себя исследование машин постоянного тока с независимым возбуждением.

В ходе исследования машины постоянного тока проводятся следующие расчеты:

• снятие механической и расчет рабочих режимов машины в двигательном и генераторном режимах работы;

• снятие механических характеристик при различных напряжениях питания в цепи якоря;

• снятие механических характеристик при различных сопротивлениях в цепи якоря;

• снятие механических характеристик при различной величине потока возбуждения.

П ринцип действия машин постоянного тока основан на взаимодействии внешнего магнитного поля с током якоря, по способу включения обмотки возбуждения для создания внешнего магнитного потока машины постоянного тока классифицируются на машины с независимым, параллельным и последовательным возбуждением. Варианты схем включения обмотки возбуждения по отношению к якорной обмотке приведены на рис. 4.1

Расчет машины постоянного тока независимого возбуждения проведем для машины 2ПН-1.0 имеющая следующие электромеханические параметры (табл. 4.1):

Таблица 4.1

Тип двигателя	[кВт]	, [В]	, [об/мин]	, [%]	, [Ом]	, [Ом]	, [мГн]
2ПН-1.0	1	220	3000	72.5	2.52	92	48

Порядок проведения лабораторной работы.

Для машины с независимым возбуждением параметры состояния машины и параметры обмоток определяются по следующим выражениям:

.

В установившемся режиме индуктивность обмотки возбуждения может быть принята равной нулю. При исследовании динамических процессов значение для машин обычного исполнения выбирается из неравенства:

.

Момент инерции для двигателей постоянного тока независимого возбуждения может быть определен по выражению:

Момент сухого трения и коэффициент вязкого трения могут быть рассчитаны по формулам:

, .

Для машины постоянного тока запишем уравнения состояния обмоток возбуждения и якоря

,

при определенных уравнениях связи

и уравнения динамики общая математическая модель машины в операторной форме записи примет вид:

Для исследования механической характеристики машины постоянного тока составим структурную схему и выполним ее расчет в программе MatLab/Simulink (рис. 4.2).

Модель (рис. 3.39) имеет два задающих сигнала: - управление по цепи возбуждения и - управление по цепи якоря. Нагрузка задается блоком Step2 в относительных единицах. Блок Transfer Fcn моделирует цепь возбуждения (постоянная времени 0.5 с), а блок Transfer Fcn1 моделирует цепь якоря (постоянная времени 0.02). Управление по цепи возбуждения подается раньше для того, чтобы к моменту подачи управляющего сигнала по цепи якоря и нагрузки поток в машине уже установился.

Р езультаты моделирования двигателя постоянного тока с независимым возбуждением представлены на рис. 4.3.

И митационное моделирование машины постоянного тока проводится с использованием библиотеки SimPowerSystems пакетного расширения Simulink. Данная имитационная модель приведена на рис. 4.4.

В состав модели входят следующие блоки:

• источники постоянного напряжения для питания обмотки возбуждения и якорной обмотки – DC Voltage Source из библиотеки SimPowerSystems\Electrical Sources;

• машина постоянного тока DC Machine из библиотеки SimPowerSystems\Machines;

• блок Constant для задания нагрузки на валу двигателя из библиотеки Simulink\Sources;

• приборы для измерения переменных состояний машины.

В полях настройки задаются:

• параметры обмотки якоря - [Ом], [Гн];

• параметры обмотки возбуждения - [Ом], [Гн];

• взаимная индуктивность между обмоткой возбуждения и обмоткой якоря - [Гн];

• суммарный момент инерции машины и нагрузки – J [ ];

• коэффициент вязкого трения - [Нмс];

• коэффициент сухого трения - [Нмс];

• начальная скорость [рад/c].

Выход блока DC Machine предназначен для измерения и наблюдения переменных состояний машины в следующей последовательности: угловая скорость [рад/c], ток якоря [А], ток возбуждения [А], электромагнитный момент развиваемый двигателем [Нм].

Для снятия механической характеристики и расчета рабочих характеристик машины в двигательном режиме работы в окне настройки блока Constant последовательно задаются значения момента от с шагом . Для каждого значения выполняется запуск модели. Результаты моделирования представлены табл. 4.2.

Таблица 4.2

Задание	Измерения			Расчет
M [Нм]	, [рад/c]	, [А]	, [А]	, [Вт]	, [Вт]	, [%]

Расчетные значения , .

Коэффициент полезного действия для машины постоянного тока работающего в двигательном режиме рассчитывается по формуле , а в генераторном режиме – .

Снятие механических характеристик при различных напряжениях питания проводятся для двух значений напряжения на якоре и , где - номинальное напряжение на якорной обмотке. Нагрузка на валу машины меняется в диапазоне с шагом . Расчет выполняется для каждого значения напряжения на якоре и момента. Результаты моделирования представлены табл. 4.3. и 4.4.

Таблица 4.3

M, [Нм]	, [рад/с]

Таблица 4.4

M, [Нм]	, [рад/с]

Расчет механических характеристик при различных сопротивлениях в цепи якоря проводятся для двух значений сопротивления якоря и , где номинальное сопротивление обмотки якоря. Сопротивление якоря осуществляется в поле окна настройки параметров машины. Нагрузка на валу машины меняется в диапазоне с шагом . Расчет выполняется для каждого значения сопротивления якоря и момента. Результаты моделирования представлены табл. 4.5.

Таблица 4.5.

M, [Нм]	, [рад/с]

Аналогично проводится расчет при различных потоках возбуждения и , где - номинальный магнитный поток возбуждения. Изменение потока возбуждения осуществляется в поле Field-armature mutual inductance окна настройки параметров машины. Нагрузка на валу машины меняется в диапазоне с шагом . Расчет выполняется для каждого значения потока возбуждения и момента. Результаты моделирования представлены табл. 4.6. и 4.7.

Таблица 4.6

M, [Нм]	, [рад/с]

Таблица 4.7

M, [Нм]	, [рад/с]

Расчет регулировочных характеристик при изменении напряжения якоря проводится для постоянного момента нагрузки, равного номинальному и изменению напряжения в цепи якоря от 0.4 до 1.2 исходного значения с шагом 0.2 исходного значения напряжения. Результаты расчета представлены табл. 4.8.

Таблица 4.8.

, [В]	, [рад/с]

Содержание отчета

• каталожные данные машины постоянного тока;

• математическая модель машины постоянного тока;

• структурная схема для расчета механической характеристики машины постоянного тока;

• результаты моделирования, представленные динамической характеристикой и ;

• имитационная виртуальная модель с использованием стандартных блоков библиотеки SimPowerSystems.

• заполненные таблицы 4.2 – 4.8;

• графики рабочих характеристик машины в двигательном и генераторном режимах;

• графики механической характеристики машины при различных напряжениях на якоре;

• графики механической характеристики машины при различных сопротивлениях якоря;

• графики механической характеристики машины при различных потоках;

• регулировочная характеристика машины постоянного тока работающей в двигательном режиме при номинальном моменте.

Варианты заданий

№	Тип двигателя	, [кВт]	, [В]	, [об/мин]	, [%]	, [Ом]	, [Ом]	, [мГн]
1	2ПН-0.17-110	0.17	110	750	47.5	5.84	610	128
2	2ПН-0.17-220	0.17	220	750	48.5	27.2	162	514
3	2ПН-0.25-110	0.25	110	1060	56.0	3.99	610	78.7
4	2ПН-0.25-220	0.25	220	1120	57	15.47	126	297
5	2ПН-0.37-220	0.37	220	1500	61.5	10.61	126	190
6	2ПН-0.47-110	0.47	110	1500	61.5	2.52	610	48
7	2ПН-0.71-110	0.71	110	2360	69.5	13.99	470	79
8	2ПН-0.71-220	0.71	220	2360	70	3.99	123	70
9	2ПН-1.0-110	1.0	110	3000	71.5	0.6	365	12
10	2ПН-1.0-220	1.0	220	3000	72.5	2.52	92	48
11	2ПН-13-220	13.0	220	3150	78.0	1.3	87	33
12	112М-1.5-110	1.5	110	4000	70	0.42	181	4.8
13	112М-1.5-220	1.5	220	4000	70	1.77	44	19.5
14	110М-2-110	2.0	110	4000	78,5	0,201	265	6,6
15	110М-2-220	2.0	220	4000	79	0,805	73	26
16	112М-2,5-110	2,5	110	4000	76	0,196	156	2,3
17	112М-2,5-220	2,5	220	4000	76	0,788	39,4	9,3
18	112М-3,6-110	3,6	110	4000	78,5	0,084	129	1
19	112М-3,6-110	3,6	220	4000	79	0,42	33,6	4,8
20	132М-4-110	4.0	110	4000	77,5	0,14	134	4,8
21	132М-4-220	4.0	220	4000	79	0,564	35	4,8
22	132М-7-220	7.0	110	4000	81	0,067	111	4,8
23	160М-13-440	13.0	440	4000	86,5	0,279	16,4	4,8
24	160М-18-440	18.0	440	4000	87,5	0,0145	12,6	4,8

Вопросы для самопроверки

1. Машины постоянного тока: принцип действия, конструкция, область применения.

2. Способы возбуждения машины постоянного тока: схемы возбуждения.

3. Математическая модель машины постоянного тока и особенности ее расчета в программе MatLab.

4. Механические характеристики машин постоянного тока с различными способами возбуждения.

5. Способы регулирование скорости вращения якоря двигателя постоянного тока.

6. Имитационная модель Simulink для исследования рабочих характеристик машины постоянного тока.