Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

Кафедра АТП

КУРСОВАЯ РАБОТА

Исследование машины постоянного тока с последовательным возбуждением

по дисциплине: Электромеханические системы

Уфа

Содержание

Введение

1. Краткие теоретические сведения о машинах постоянного тока

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

3. Параметры машины

4. Параметры источника питания

5. Параметры моделирования

6. Расчеты

7. Механические характеристики w=f(M)

8. Рабочие характеристики w, I, M,

Заключение

Список литературы

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.

машина постоянный ток возбуждение

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.

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

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 .

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.

Рис. 6 - Окно задания параметров настройки

4. 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:

(1)

; (2)

. (3)

Для момента М=5 Н*м

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

5. Механические характеристики машины w=f(M)

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

(4)

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().

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

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

6. Рабочие характеристики w, I, M,

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

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

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.

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

Рис. 12 - Рабочая характеристика з=f(P2)

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

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 .

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.

Размещено на Allbest.ru