Контрольные вопросы

0. В
   чём состоит принцип обратимости
   электрических машин постоянного тока.

1. Опишите
   устройство и объясните принцип действия
   генератора постоянного тока независимого
   возбуждения.

2. Сравните
   характеристики генераторов постоянного
   тока в зависимости от типа возбуждения.

3. Поясните
   явление реакции якоря генератора.

4. Поясните
   явление коммутации в генераторе
   постоянного тока и приведите меры
   улучшения коммутации.

5. Объясните
   природу возникновения электромагнитного
   момента генератора постоянного тока.

6. Укажите
   вид основных характеристик генератора
   постоянного тока.

Цель
работы –
изучение устройства двигателя постоянного
тока независимого возбуждения и
исследование его основных характеристик.

Программа
работы

1. Изучить
   разделы курса, в которых рассматривается
   устройство и принцип действия двигателя.

2. Выполнить
   контрольное задание.

3. Экспериментально
   снять заданные характеристики двигателя.

4. Оформить
   протокол отчёта и ответить на контрольные
   вопросы.

Описание
лабораторной установки

На
электрической схеме лабораторной
установки изображен двигатель постоянного
тока независимого возбуждения М1
(рис.1). Вал исследуемого двигателя М1
жёстко соединён с валом асинхронного
двигателя М2.

Зажимы
якоря Я1
– Я2
двигателя М1
подсоединены к выходу выпрямителя
UD3,
а зажимы Ш1
– Ш2
обмотки возбуждения LM1
подсоединены к выходу неуправляемого
выпрямителя UD2.
Вольтметр PV1
и амперметр PA1
позволяют контролировать напряжение
и ток якоря двигателя М1.
Амперметр

показывает величину тока возбуждения
двигателя М1.

Нагрузка
на валу исследуемого двигателя М1
создаётся с помощью асинхронного
двигателя М2,
работающего в режиме динамического
торможения. Для создания этого режима
статорная обмотка С3
– С6
двигателя М2
подсоединена через реостат R
к выходу двухполупериодного выпрямителя
UD3.

В
процессе работы напряжение на якоре
двигателя М1
не зависит от режима работы двигателя
М2.

Рис.1

Контрольное
задание

1. Качественно
   изобразить основные характеристики
   двигателя постоянного тока независимого
   возбуждения при

   и

2. Записать
   выражения, связывающие электромагнитный
   момент и ток якоря, частоту вращения и
   ЭДС якоря

   ,
   уравнения электромеханической и
   механической характеристик, потерь
   мощности и КПД двигателя постоянного
   тока независимого возбуждения.

Порядок
выполнения экспериментальной части

1.
Ознакомиться с оборудованием и
измерительными приборами, необходимыми
для проведения эксперимента.

2.
Собрать схему экспериментальной
установки (рис.1), установив автотрансформатор
T
в нулевое положение. Проверить
правильность собранной схемы и показать
её преподавателю или лаборанту.

3.
Разомкнуть ключ SA1
и включить выключатель QF1.
Убедиться, что ток возбуждения

4.
Исследовать режим холостого хода
двигателя. С помощью автотрансформатора
T
осуществить плавный пуск двигателя
М1
на холостом ходу. Установить заданную
частоту вращения вала двигателя М1
(по указанию преподавателя) и записать
необходимые показания приборов в
таблицу.

5.
Исследовать режим работы двигателя М1
под нагрузкой. Для этого замкнуть ключ
SA1
и с помощью реостата R
изменять ток нагрузки от номинального
значения

до значения тока холостого хода.
Соответствующие показания приборов
занести в таблицу.

5.
Выполнить необходимые расчёты в таблице.

6.
Построить в одном квадранте характеристики

при

Построить экспериментальную механическую
характеристику

7.
Сделать выводы по проделанной работе.

Таблица

ПРИМЕЧАНИЕ:

Ом, k
= 13,7
,

,

,

,

,

,

,

.

Контрольные
вопросы

1.
Назовите основные конструктивные узлы
двигателя постоянного тока независимого
возбуждения и их назначение.

2.
Объясните принцип действия двигателя
постоянного тока независимого возбуждения.

3.
Назовите возможные способы регулирования
частоты вращения ротора двигателя
постоянного тока независимого возбуждения.

3.
Объясните, чем опасен обрыв цепи
возбуждения исследуемого двигателя
при работе в режиме холостого хода и
номинальной нагрузке.

4.
Поясните методы электрического торможения
двигателя постоянного тока независимого
возбуждения.

5.
Как изменить направление вращения якоря
двигателя постоянного тока независимого
возбуждения?

6.
Назовите области применения двигателей
постоянного тока в зависимости от типа
возбуждения.

Урок 36 (дополнительный материал). Принцип действия электродвигателя.

Электроизмерительные приборы

Принцип действия электродвигателя.

Электродвигатель – это просто устройство для эффективного преобразования электрической энергии в механическую.

В основе этого преобразования лежит магнетизм. В электродвигателях используются постоянные магниты и электромагниты, кроме того, используются магнитные свойства различных материалов, чтобы создавать эти удивительные устройства.

Существует несколько типов электродвигателей. Отметим два главных класса: AC и DC.

Электродвигатели класса AC (Alternating Current) требуют для работы источник переменного тока или напряжения (такой источник Вы можете найти в любой электрической розетке в доме).

Электродвигатели класса DC (Direct Current) требуют для работы источник постоянного тока или напряжения (такой источник Вы можете найти в любой батарейке).

Универсальные двигатели могут работать от источника любого типа.

Не только конструкция двигателей различна, различны способы контроля скорости и вращающего момента, хотя принцип преобразования энергии одинаков для всех типов.

Устройство и принцип работы простейшего электродвигателя.

В основе конструкции электрического двигателя лежит эффект, обнаруженный Майклом Фарадеем в 1821 году: что взаимодействие электрического тока и магнита может вызывать непрерывное вращение. Один из первых двигателей, нашедших практическое применение, был двигатель Бориса Семеновича Якоби (1801 –1874), приводивший в движение катер с 12 пассажирами на борту. Однако для широкого использования электродвигателя необходим был источник дешевой электроэнергии — электромагнитный генератор.

Принцип работы электродвигателя очень прост: вращение вызывается силами магнитного притяжения и отталкивания, действующими между полюсами подвижного электромагнита (ротора) и соответствующими полюсами внешнего магнитного поля, создаваемого неподвижным электромагнитом (или постоянным магнитом) — статором.

Вращающаяся часть электрической машины называется ротором (или якорем), а неподвижная — статором. В простом электродвигателе постоянного тока блок катушки служит ротором, а постоянный магнит — статором.

Сложность заключается в том, чтобы добиться непрерывного вращения двигателя. А для этого надо сделать так, чтобы полюс подвижного электромагнита, притянувшись к противоположному полюсу статора, автоматически менялся на противоположный — тогда ротор не замрет на месте, а повернется дальше — по инерции и под действием возникшего в этот момент отталкивания.

Для автоматического переключения полюсов ротора служит коллектор. Он представляет собой пару закрепленных на валу ротора пластин, к которым подключены обмотки ротора. Ток на эти пластины подается через токоснимающие контакты (щетки). При повороте ротора на 180° пластины меняются местами — это автоматически меняет направление тока и, следовательно, полюсы подвижного электромагнита. Так как одноименные полюсы взаимно отталкиваются, катушка продолжает вращаться, а ее полюсы притягиваются к соответствующим полюсам на другой стороне магнита.

Простейший электродвигатель

Простейший электродвигатель работает только на постоянном токе (от батарейки). Ток проходит по рамке, расположенной между полюсами постоянного магнита. Взаимодействие магнитных полей рамки с током и магнита заставляет рамку поворачиваться. После каждого полуоборота коллектор переключает контакты рамки, подходящие к батарейке, и поэтому рамка вращается.

В некоторых двигателях для создания магнитного поля вместо постоянного магнита служит электромагнит. Витки проволоки такого электромагнита называются обмоткой возбуждения.

Электродвигатели используются повсюду. Даже дома вы можете обнаружить огромное количество электродвигателей. Электродвигатели используются в часах, в вентиляторе микроволновой печи, в стиральной машине, в компьютерных вентиляторах, в кондиционере, в соковыжималке и т. д. и т. п. Ну а электродвигатели, применяемые в промышленности, можно перечислять бесконечно. Диапазон физических размеров – от размера со спичечную головку до размера локомотивного двигателя.

Показанный ниже промышленный электродвигатель работает и на постоянном, и на переменном токе. Его статор – это электромагнит, создающий магнитное поле. Обмотки двигателя поочередно подключаются через щетки к источнику питания. Одна за другой они поворачивают ротор на небольшой угол, и ротор непрерывно вращается.

Промышленный электродвигатель

Электроизмерительные приборы.

Электроизмерительные приборы — класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин.

Группа электромагнитных приборов является наиболее распространенной. Принцип их действия, использованный впервые еще Ф. Кольраушем в 1884 году, основан на перемещении подвижной железной части под влиянием магнитного потока, создаваемого катушкой, по которой пропускается ток. Практическое осуществление этого принципа отличается разнообразием.

Ориентирующее действие магнитного поля на контур с током используют в электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы – амперметрах, вольтметрах и др. 

Устройство прибора магнитоэлектрической системы

Измерительный прибор магнитоэлектрической системы устроен следующим образом.

Берут лёгкую алюминиевую рамку 2 прямоугольной формы, наматывают на неё катушку из тонкого провода. Рамку крепят на двух полуосях О и О’, к которым прикреплена также стрелка прибора 4. Ось удерживается двумя тонкими спиральными пружинами 3. Силы упругости пружин, возвращающие рамку к положению равновесия в отсутствие тока, подобраны такими, чтобы были пропорциональными углу отклонения стрелки от положения равновесия. Катушку помещают между полюсами постоянного магнита М с наконечниками формы полого цилиндра. Внутри катушки располагают цилиндр 1 из мягкого железа. Такая конструкция обеспечивает радиальное направление линий магнитной индукции в области нахождения витков катушки (см рисунок).

В результате при любом положении катушки силы, действующие на нее со стороны магнитного поля, максимальны и при неизменной силе тока постоянны. Векторы F и –F изображают силы, действующие на катушку со стороны магнитного поля и поворачивающие ее. Катушка с током поворачивается до тех пор, пока силы упругости со стороны пружины не уравновесят силы, действующие на рамку со стороны магнитного поля. Увеличивая силу тока в рамке в 2 раза, рамка повернётся на угол, вдвое больший. Это происходит потому, что F_m~I.

Силы, действующие на рамку с током прямо пропорциональны силе тока, то есть можно, проградуировав прибор, измерять силу тока в рамке.

Точно так же можно прибор настроить на измерение напряжения в цепи, если проградуировать шкалу в вольтах, причём сопротивление рамки с током должно быть выбрано очень большим по сравнению с сопротивлением участка цепи, на котором измеряем напряжение.

Дополнительные материалы.

1. Видео-ролик «Принцип работы электродвигателя»

2. Презентация «Электроизмерительные приборы» скачать с Яндекса

Медиа-материалы из Единой коллекции Цифровых Образовательных Ресурсов:

Рисунок «Вольтметр» 8_140
Рисунок-плакат «Электродвигатель» 8_224
Слайд-шоу «Работа электродвигателя» 8_225
Рисунок-плакат «Электроизмерительный прибор электродинамической системы» 8_227
Рисунок-плакат «Электроизмерительный прибор» 8_228
Слайд-шоу «Работа амперметра» 8_229
Слайд-шоу «Работа электроизмерительного прибора» 8_230

Принцип работы двигателя постоянного тока

Двигатель постоянного тока — это устройство, которое преобразует постоянный ток в механическую работу. Он работает по принципу закона Лоренца, который гласит, что « проводник с током, помещенный в магнитное и электрическое поле, испытывает силу ».  Экспериментальная сила называется силой Лоренца. Правило левой руки Флемминга определяет направление силы.

Флеминг Правило левой руки

Если большой, средний и указательный пальцы левой руки смещены друг относительно друга на угол 90°, средний палец представляет направление магнитного поля. Указательный палец показывает направление тока, а большой палец показывает направление сил, действующих на проводник.

Формула вычисляет величину силы,

Прежде чем понять работу двигателя постоянного тока, сначала мы должны узнать о его конструкции. Якорь и статор являются двумя основными частями двигателя постоянного тока. Якорь – это вращающаяся часть, а статор – их неподвижная часть. Катушка якоря подключена к источнику постоянного тока.

Катушка якоря состоит из коллекторов и щеток. Коммутаторы преобразуют переменный ток, наведенный в якоре, в постоянный, а щетки передают ток от вращающейся части двигателя к стационарной внешней нагрузке. Якорь помещают между северным и южным полюсами постоянного или электромагнита.

Для простоты предположим, что якорь имеет только одну катушку, расположенную между магнитным полем, показанным ниже на рисунке А. Когда на катушку якоря подается постоянный ток, через него начинает течь ток. Этот ток создает собственное поле вокруг катушки.

На рисунке B показано поле, индуцируемое вокруг катушки:

В результате взаимодействия полей (создаваемых катушкой и магнитом) результирующее поле возникает поперек проводника. Результирующее поле стремится вернуться в исходное положение, то есть на оси основного поля. Поле действует на концы проводника, и катушка начинает вращаться.

Пусть поле, создаваемое основным полем, равно F _m , и это поле вращается по часовой стрелке. Когда в катушке течет ток, они создают собственное магнитное поле, скажем, F _р . Поле F _r пытается пройти в направлении основного поля. Таким образом, крутящий момент действует на обмотку якоря.

Настоящий двигатель постоянного тока состоит из большого количества катушек якоря. Скорость двигателя прямо пропорциональна количеству катушек, используемых в двигателе. Эти катушки выдерживают воздействие магнитного поля.

Один конец проводников держится под влиянием северного полюса, а другой конец держится под влиянием южного полюса. Ток входит в обмотку якоря через северный полюс и движется наружу через южный полюс.

При переходе катушки с одной щетки на другую одновременно меняется и полярность катушки. Таким образом, направление силы или момента, действующего на катушку, остается прежним.

Момент, создаваемый в катушке, становится равным нулю, когда катушка якоря перпендикулярна основному полю. Нулевой крутящий момент означает, что двигатель перестает вращаться. Для решения этой задачи в роторе используется количество катушек якоря. Так, если одна из их катушек перпендикулярна полю, то другие катушки индуцируют крутящий момент. И ротор движется непрерывно.

Кроме того, для получения постоянного крутящего момента расположение сохраняется таким образом, что всякий раз, когда катушки пересекают магнитную нейтральную ось магнита, направление тока в катушках меняется на противоположное. Это можно сделать с помощью коммутатора.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Двигатель постоянного тока представляет собой электрическую машину, которая преобразует электрическую энергию в механическую . Работа двигателя постоянного тока основана на том принципе, что когда проводник с током помещается в магнитное поле, на него действует механическая сила.

Направление механической силы определяется правилом левой руки Флеминга , а ее величина определяется F = BIL ньютона.

Работа двигателя переменного тока (асинхронного двигателя и синхронного двигателя) отличается от двигателя постоянного тока.

Простой двухполюсный двигатель постоянного тока

Принципиальной разницы в конструкции генератора постоянного тока и двигателя постоянного тока нет. Фактически, одна и та же машина постоянного тока может использоваться как генератор или как двигатель.

Как и генераторы, существуют различные типы двигателей постоянного тока, которые также подразделяются на  двигатели постоянного тока с параллельной, последовательной и смешанной обмоткой .

Двигатели постоянного тока редко используются в обычных целях, поскольку все электроснабжающие компании поставляют двигатели переменного тока.

Однако для специальных применений, таких как сталелитейные заводы , шахты и электропоезда , выгодно преобразовывать переменный ток в постоянный, чтобы использовать двигатели постоянного тока. Причина в том, что характеристики скорости/крутящего момента двигателей постоянного тока намного лучше, чем у двигателей переменного тока.

Поэтому неудивительно, что для промышленных приводов двигатели постоянного тока так же популярны, как и трехфазные асинхронные двигатели.

Содержание

Принцип действия двигателя постоянного тока

Машина, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую, называется двигателем постоянного тока.

Работа двигателя постоянного тока основана на том принципе, что когда проводник с током помещается в магнитное поле, на проводник действует механическая сила.

Направление этой силы определяется  правилом левой руки Флеминга  , а величина определяется формулой;

F = BIL Ньютоны

Согласно правилу левой руки Флеминга, когда электрический ток проходит через катушку в магнитном поле, магнитная сила создает крутящий момент, который вращает двигатель постоянного тока.

Направление этой силы перпендикулярно проводу и магнитному полю.

Двигатель постоянного тока Работа объясняется правилом левой руки Флеминга

По сути, нет никакой конструктивной разницы между двигателем постоянного тока и генератором постоянного тока. Одна и та же машина постоянного тока может работать как генератор или двигатель.

Поперечное сечение машины постоянного тока

Работа двигателя постоянного тока

Рассмотрим часть многополюсного двигателя постоянного тока , как показано на рисунке ниже. Когда клеммы двигателя подключены к внешнему источнику питания постоянного тока:

• магниты возбуждения возбуждаются, развивая чередующиеся северный и южный полюса
• по проводникам якоря текут токи.

Работа машины постоянного токаЧасть многополярного двигателя постоянного тока

Все проводники под северным полюсом пропускают ток в одном направлении, а все проводники под южным полюсом пропускают ток в противоположном направлении.

Проводники якоря под полюсом N пропускают токи в плоскость бумаги (обозначены ⊗ на рисунке). А по проводникам под S-полюсом текут токи из плоскости бумаги (обозначены ⨀ на рисунке).

Поскольку каждый проводник якоря несет ток и находится в магнитном поле, 9На него действует механическая сила 0003 .

При применении правила левой руки Флеминга становится ясно, что сила, действующая на каждый проводник, стремится повернуть якорь против часовой стрелки. Все эти силы складываются вместе, чтобы создать крутящий момент , который заставляет якорь вращаться.

Когда проводник перемещается с одной стороны щетки на другую, ток в этом проводнике меняется на противоположный. В то же время он попадает под влияние следующего полюса, который имеет противоположную полярность. Следовательно, направление силы на проводник остается прежним .

Следует отметить, что функция коммутатора в двигателе такая же, как и в генераторе. Путем изменения направления тока в каждом проводнике, когда он проходит от одного полюса к другому, это помогает создать непрерывный и однонаправленный крутящий момент .

Рабочая анимация двигателя постоянного тока

Посмотрите в этом видео работу двигателя постоянного тока на сайтеlearnengineering.