Машины постоянного тока 1 Устройство и принцип действия

Машины постоянного тока 1. Устройство и принцип действия машин постоянного тока (МПТ) 2. Электродвижущая сила якоря, электромагнитный момент и способы возбуждения МПТ. Работа машины в режимах генератора и двигателя 3. Двигатели постоянного тока: их характеристики, способы пуска, регулирование частоты вращения, торможение, реверс, остановка

1. Устройство и принцип действия машин постоянного тока (МПТ) Машины постоянного тока (МПТ) являются обратимыми, т. е. они могут работать в качестве генератора (ГПТ) или двигателя (ДПТ) без изменения схемы. Широкое применение ДПТ обусловлено следующими причинами: • возможность плавного регулирования частоты вращения вала • хорошие пусковые свойства: большой пусковой момент при сравнительно небольшом пусковом токе ДПТ применяют в электротранспорте, в приводах прокатных станов, в системах автоматического регулирования и др. ГПТ используют в качестве возбудителей для питания обмоток возбуждения мощных синхронных машин, цеховых сетей постоянного тока, в частности, для питания ДПТ, электромагнитов, для питания электролитических ванн, зарядки аккумуляторов, сварки, в качестве датчиков частоты вращения и др.

Машины постоянного тока унифицированы. Выпускаются двигатели серий 2 П и 4 П в диапазоне мощностей от 0, 37 до 12500 к. Вт, частот вращения от 32 до 4000 об/мин, крановые серии Д на напряжения 220 и 440 В; генераторы серий 2 ПН на напряжения 115, 230 и 460 В мощностью от 0, 37 до 180 к. Вт с КПД = 0, 6… 0, 9. Основной недостаток МПТ - наличие щёточноколлекторного узла, который требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надёжность машин. Кроме того, для питания ДПТ требуются источники постоянного тока (ГПТ или выпрямители). Напомним, что основным видом электроснабжения промышленных предприятий является электроэнергия переменного тока, передаваемая по трёхфазной сети.

Устройство МПТ Основными частями МПТ (рис. 9. 1) являются статор и якорь, отдалённые друг от друга воздушным зазором (0, 3… 0, 5 мм)

Устройство статора 5

Статор - это стальной цилиндр 1, внутри которого крепятся главные полюса 2 с полюсными наконечниками 3, образуя вместе с корпусом магнитопровод машины (рис. 9. 1, а). Полюсные наконечники служат для равномерного распределения магнитной индукции в зазоре между полюсами статора-индуктора и якоря. На главных полюсах расположены последовательно соединённые катушки обмотки возбуждения 4, предназначенные для создания неподвижного магнитного потока Фв машины. Концы обмотки возбуждения (ОВ) выводят на клеммный щиток, расположенный на корпусе машины (рис. 9. 1, б). Помимо основных полюсов внутри статора располагают дополнительные полюса 9 с обмотками 10, которые служат для уменьшения искрения в скользящих контактах (между щётками и коллектором).

Устройство якоря 7

Якорь (подвижная часть машины) - это цилиндр 5, набранный из листов электротехнической стали, снаружи которого имеются пазы, в которые уложена якорная обмотка 11. Отводы обмотки якоря (ОЯ) припаивают к пластинам коллектора 6, расположенного на вращающемся в подшипниках валу 7. Коллектор представляет собой цилиндр, набранный из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала и закреплённых (по технологии "ласточкина хвоста") на стальной втулке. Коллектор играет роль механического выпрямителя переменной ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря. К коллектору с помощью пружин прижимаются неподвижные медно-графитовые щётки 8, соединённые с клеммами Я 1 и Я 2 щитка (рис. 9. 1, б). Образовавшиеся скользящие контакты дают возможность соединить вращающуюся ОЯ с внешней электрической цепью (снять выпрямленное напряжение с коллектора (генераторный режим) или соединить якорную обмотку с источником постоянного напряжения и распределить токи в стержнях ОЯ таким образом, чтобы их направления под разноименными полюсами были бы противоположными (двигательный режим)). Суммарное сопротивление цепи якоря Rя = 0, 5… 5 Ом.

Часть машины, в которой индуктируется ЭДС, принято называть якорем, а часть машины, создающей основное магнитное поле (магнитный поток) – индуктором. В машинах постоянного тока якорем является ротор, а индуктором – статор. В зависимости от того, как обмотка возбуждения включена относительно сети и якоря, различают МПТ независимого возбуждения (ОВ к якорю не подключена) и МПТ с самовозбуждением, которое подразделяется на параллельное, последовательное и смешанное.

2. Электродвижущая сила якоря, электромагнитный момент и способы возбуждения МПТ. Работа машины в режимах генератора и двигателя N F –e i n D F М G Mэм i N –e N S S N Fэм M S i e n D M e i Мэм Fэм S 10

Принцип действия генератора постоянного тока

Принцип работы двигателя постоянного тока

В генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразует переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве механического инвертора тока Принцип обратимости Каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Для перехода машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щёток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря

Электродвижущая сила якоря N a=0 e 3 e 4 e 2 e 5 W e 1 e 6 + E – S 14

Если посредством первичного двигателя привести якорь машины во вращение с постоянной угловой частотой w и подать постоянное напряжение в обмотку возбуждения статора, то в каждом стержне обмотки якоря будет наводиться ЭДС Eя= (N/2 a)e 1 = (p. N/60 a)n. Фв = CEn. Фв где CE = (p. N/60 a) - коэффициент ЭДС, определяемый конструктивными особенностями машины

Как видно, ЭДС якоря прямо пропорциональна произведению магнитного потока статора Фв на частоту вращения n якоря. Если к зажимам якорной обмотки подключить приёмник R, то ЭДС якоря вызовет в цепи ток Iя = I. Напряжение на зажимах обмотки якоря U = Eя - Rя. Iя = Сe. Фвn - Rя. Iя, где Rя и Iя - сопротивление цепи и ток якоря

Вращающий электромагнитный момент двигателей постоянного тока В результате взаимодействия тока якоря Iя с магнитным потоком Фв возникает электромагнитный момент. Средний электромагнитный момент (в ньютонах), развиваемый двигателем на валу, M = F 1 Nd/2, где F 1 = Bcpl. I 1 среднее значение силы, которая согласно закону Ампера возникает при взаимодействии магнитного потока Фв с каждым проводником с током I 1 = Iя/2 а якорной обмотки; l и d - активная длина проводника и диаметр якоря; N и 2 a - число проводников и параллельных ветвей обмотки якоря; Bcp = 2 р. Фв/pdl - средняя магнитная индукция полюса машины; р - число пар полюсов

После подстановки и преобразования получим: M = (p. N/2 a)Iя. Фв = CMIя. Фв, где СM = p. N/2 a - коэффициент момента, определяемый конструктивными особенностями машины. Из выражения момента следует, что он прямо пропорционален произведению магнитного потока Фв на ток якоря Iя.

Противо-ЭДС и баланс мощностей цепи якоря двигателя постоянного тока Если вращающий момент М больше момента сопротивления Mс механизма на валу, т. е. M > Mс, то якорь начинает вращаться. При вращении якоря его проводники пересекают магнитный поток Фв и согласно закону электромагнитной индукции в них индуктируется ЭДС. Суммарную ЭДС всех проводников якорной обмотки называют противо-ЭДС, т. к. направление ЭДС противоположно направлению тока якоря Iя. Уравнение электрического равновесия для якорной обмотки U = Eя + Uя. Iя

Умножив члены последнего уравнения на величину Iя, получим уравнение баланса мощностей цепи якоря ДПТ Рэ = UIя = Eя. Iя + Rя. Iя↑ 2 которое показывает, что электрическая мощность Рэ, подводимая к якорю двигателя из сети, преобразуется в электромагнитную мощность РЭМ = Eя. Iя = М/w и мощность электрических потерь в обмотке якоря ΔРя = Rя. Iя↑ 2

Механическая мощность, развиваемая на валу генератора первичным двигателем, за вычетом механических и магнитных потерь, превращается в электрическую мощность в обмотке якоря, а электрическая мощность за вычетом потерь в этой обмотке выдается во внешнюю цепь. В двигателе электрическая мощность, подводимая к якорю из внешней цепи, частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная часть этой мощности превращается в мощность электромагнитного поля и последняя – в механическую мощность, которая за вычетом потерь на трение и потерь в стали якоря передается рабочей машине

Способы возбуждения МПТ

Реакция якоря МПТ 23

3. Двигатели постоянного тока: их характеристики, способы пуска, регулирование частоты вращения, торможение, реверс, остановка В основе работы ДПТ - преобразователя электрической энергии в механическую, приводящую во вращения вал машины, лежит закон Ампера. Для создания вращающего момента постоянное напряжение U подводится одновременно к обмотке возбуждения ОВ (создающей магнитный поток Фв машины), и (посредством неподвижных щёток) к коллектору. Щёточноколлекторный узел выполняет роль механического переключателя тока, обеспечивая неизменность направления токов в проводниках ОЯ, проходящих под соответствующим магнитным полюсом индуктора, и изменение направления токов в этих проводниках при пересечении ими т. н. геометрической нейтрали машины: для двухполюсной машины нейтраль совпадает с горизонтальной осью, а для многополюсной - геометрические нейтрали проводят через центр и между полюсами N и S, где расположены щётки.

ДПТ классифицируют по способу возбуждения: независимое, параллельное (шунтовое), последовательное (сериесное) и смешанное (сериесно-шунтовое или компаундное) Двигатели параллельного возбуждения В этих двигателях обмотка возбуждения ОВ подключена параллельно с обмоткой якоря к сети. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат с сопротивлением Rр, а в цепь якоря - пусковой реостат с сопротивлением Rп. В ДПТ параллельного возбуждения ток возбуждения не зависит от тока якоря Iя Iв = U/(Rв + Rp),

Ток якоря Iя = (U - Eя)/Rя = (U - CEФвn)/Rя где U - напряжение, подводимое к электродвигателю, В; Rя - сопротивление цепи якоря, Ом

В начальный момент пуска ДПТ частота вращения якоря n = 0, поэтому противо-ЭДС Ея = 0. Напомним, что пуском называют процесс разгона якоря от неподвижного состояния до установившегося значения частоты вращения якоря, когда вращающий электромагнитный момент М двигателя равен моменту сопротивления механизма на валу - моменту нагрузки Мс, т. е. М = Мс. В процессе пуска вращающий момент должен быть больше момента нагрузки (М > Мс).

Чтобы ограничить недопустимо большой пусковой ток в обмотке якоря и, как следствие, возникающий рывок или удар на валу и искрение в контактах щётки - коллектор, последовательно с якорем включают пусковой реостат Rп, сопротивление кoторого рассчитывают из условия, чтобы пусковой ток Iяп = U/(Rя + Rп) < (2. . . 2, 5)Iян где Iян - номинальный ток якоря При этом двигатель развивает достаточно большой пусковой момент Мп = (2… 4)Мн. Это обеспечивает быстрый разгон механизма на валу. По мере разгона двигателя ЭДС якоря Ея увеличивается и сопротивление пускового реостата необходимо уменьшить до нуля, т. е. при n = nн, Rn = 0

Скоростная и механические характеристики двигателя параллельного возбуждения Электромеханические свойства ДПТ определяются его скоростной n(Iя) или механической n(M) характеристиками. Скоростная характеристика представляет зависимость частоты вращения n от тока якоря Iя при U = const и Iв = const. Уравнение естественной скоростной характеристики получают из рассмотренного выше выражения тока якоря, решив его относительно частоты вращения n = (U - Rя. Iя)/(CЕФв) = (U/CЕФв) - (Rя/CЕФв)Iя

Механическая характеристика n(M) представляет зависимость частоты вращения якоря n от развиваемого ДПТ момента М = Мс при условии постоянства напряжения U сети и сопротивлений в цепи якоря и в цепи возбуждения. Заменив ток Iя в выражении скоростной характеристики значением из выражения вращающего момента М = СMIя. Фв, получим уравнение естественной механической характеристики n = (U/CЕФв) - (Rя/СЕСМФв 2)M = n 0 - ∆n где n 0 = U/CEФв - частота вращения якоря при "идеальном" холостом ходе (Мс = 0); сопротивления Rп = 0 и Rр = 0; напряжение на якоре U = Uн и магнитный поток двигателя Фв = Фвн

Естественная механическая характеристика n(M) ДПТ параллельного возбуждения является жесткой, т. к. снижение частоты вращения ∆n при моменте сопротивления на валу М = Мсн составляет (3… 7)% от n 0. Если сопротивление пускового реоостата Rп > 0 (Rр = 0), получают искусственные, т. н. реостатные механические характеристики 2… 4 , проходящие через точку n 0 - частоту вращения ХХ двигателя. Чем больше сопротивление Rп, тем характеристика круче

Пуск двигателя параллельного возбуждения Прямой пуск двигателя (Rп = 0) применяют только для двигателей малой мощности (до 1 к. Вт), у которых сопротивление якорной цепи относительно велико и обмотка якоря не успевает нагреться. Пуск двигателя с использованием пускового реостата называют реостатным. Перед пуском для получения максимального пускового момента при допустимом пусковом токе регулировочный реостат в обмотке возбуждения полностью выводят (Rр = 0) (при этом магнитный поток Фв имеет максимальное значение), а рукоятку переключателя пускового реостата устанавливают в положение 4 при наличии трёх ступеней реостата, при котором сопротивление Rп имеет максимальное значение. В начальный период пуск осуществляется по реостатной характеристике 4; при этом двигатель развивает максимальный пусковой момент

По мере разгона сопротивление пускового реостата Rп ступенчато уменьшают; разгон двигателя осуществляется по отдельным отрезкам реостатных характеристик 4, 3 и 2 При полностью выведенном сопротивлении Rп и достижении значения М = Мн частота вращения n якоря устанавливается на естественной мехaнической характеристике 1 (точка А). При пуске двигателей большой мощности использование пускового реостата (из-за его громоздкости и значительных потерь энергии) становится неэффективным. В этом случае применяют безреостатный пуск при пониженном напряжении, подводимом к цепи якоря. Получаемые (при условии, что Rп = 0 и Rр = 0) искусственные механические характеристики имеют вид 2 и 3 и проходят параллельно естественной 1 и тем ниже, чем меньше величина напряжения U

Регулировочный реостат Rр позволяет изменять ток возбуждения Iв двигателя и его магнитный поток Фв. При этом будет изменяться и частота вращения n. При номинальном напряжении на якоре (Rп = 0) и уменьшении магнитного потока (Rр > 0) механические характеристики имеют вид 4 и 5 и проходят тем выше естественной 1 и круче её, чем меньше магнитный поток.

Способы регулирования частоты вращения и реверсирование двигателя параллельного возбуждения Из рассмотрения механических характеристик двигателя следует, что при моменте М = Мс = const частоту вращения якоря n = U/(CEФв) - ((Rя + Rn)/(CECMФв 2))M = n 0 - ∆n можно регулировать тремя способами: • реостатным - изменением сопротивления цепи якоря (Rя+ Rп = var); • полюсным - изменением магнитного потока полюсов (Rв + Rр = var); • якорным - изменением напряжения, подводимого к якорю (U = var). Реверсирование двигателей можно обеспечить изменением направления тока или в обмотке якоря, или в обмотке возбуждения

Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения Они представляют собой зависимости потребляемой мощности P 1, тока Iя, частоты вращения n, мoмента M и КПД h от отдаваемой мощности P 2 на валу двигателя при U = const и Iв = const.

Характеристики n = f(P 2) и M = f(P 2) являются практически линейными, а зависимости P 1 = f(P 2), Iя = f(P 2) и η = f(P 2) имеют характер , общий для всех электрических машин. Иногда рабочие характеристики строят в зависимости от тока якоря Iя. Для двигателя параллельного возбуждения моментная характеристика М(Iя) при U = const и Фв = const представляется в виде прямой, проходящей через начало координат. Механические и рабочие характеристики двигателей независимого возбуждения аналогичны характеристикам ДПТ параллельного возбуждения, т. к. у них ток возбуждения Iв также не зависит от тока якоря Iя

Свойства и характеристики двигателей последовательного возбуждения. В этих двигателях ток возбуждения Iв = Iя = I, поэтому магнитный поток Фв является функцией тока якоря Iя. Характер этой зависимости изменяется в зависимости от нагрузки двигателя. При токе якоря Iя < (0, 8… 0, 9)Iян, когда магнитная система машины не насыщена, Фв = kф. Iя. При дальнейшем возрастании тока якоря поток Фв растёт медленнее, чем ток Iя, и при больших нагрузках (Iя > Iян) можно считать, что Фв » const. В соответствии с этим изменяются зависимости n = f(Iя) и M = f(Iя). При токе якоря Iя < (0, 8… 0, 9)Iян частота вращения

Поэтому частота вращения n будет снижаться с ростом магнитного потока в бoльшей степени по сравнению с частотой вращения ДПТ параллельного возбуждения (см. участок аb кривой 1, рис. 9. 8, б), т. е. ДПТ последовательного возбуждения имеет более мягкую механическую характеристику. Зависимость M = f(Iя) на участке аb (рис. 9, 8, в) параболического типа, что создаёт большой пусковой момент при разгоне механизма.

При небольших нагрузках (М < Мн /4) частота вращения резко возрастает, как говорят - двигатель идёт в "разнос", что опасно с точки зрения механической прочности якоря. В виду этого нельзя допускать работу ДПТ последовательного возбуждения при ХХ и при малых нагрузках. При токе Iя > 0, 9 Iян частота вращения т. е. по мере насыщения магнитной системы машины жёсткость механической характеристики n = f(М) возрастает, а гиперболическая зависимость M = f(Iя) переходит в наклонную прямую.

При пуске с реостатом Rп, ограничивающим пусковой ток и момент до допустимых значений Iп и Mп, характеристика n = f(М) проходит ниже характеристики 1 Несмотря на указанные недостатки, ДПТ последовательного возбуждения широко применяются в различных электрических приводах, особенно там, где имеет место изменение нагрузочного момента Мс в широких пределах и тяжелые условия пуска (грузоподъёмные и поворотные механизмы, тяговый привод и др. ).

Свойства и характеристики двигателей смешанного возбуждения В двигaтелях смешаного возбуждения магнитный поток создаётся в результате совместного действия МДС двух обмоток - параллельной и последовательной

Поэтому механическая характеристика 1 ДПТ смешанного возбуждения располагается между характеристиками ДПТ последовательного (кривая 2) и параллельного (кривая 3) возбуждения. В зависимости от соотношения МДС последовательной и параллельной обмоток возбуждения характеристики n = f(М) и M = f(Iя) ДПТ смешанного возбуждения при номинальном режиме можно приблизить к характеристике 2 (при малой МДС параллельной обмотки) или к характеристике 3 (при малой МДС последовательной обмотки). Одним из достоинств ДПТ смешанного возбуждения является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой при небольших нагрузках на валу, может работать при холостом ходе, т. к. его частота вращения n 0 при ХХ имеет конечное значение.

Механические характеристики 44

Соотношения в ДПТ • • Е – ЭДС якоря; Iя – ток якоря; Ф – магнитный поток одного полюса; w – угловая частота вращения якоря; р – число главных полюсов; N – число проводников на якоре; а – число параллельных ветвей якоря 45

Эксплуатационные характеристики ДПТ М /Мн n/пн h 2, 0 Р 1 1, 0 n h 0, 8 n 0 Dп а в 0, 6 1, 0 М 0, 5 Iя 0, 4 б Iя 0 Iя /Iян Р 1/Р 1 н Iян M 0, 2 0 0 0 P 2 н P 2 46

Регулирование скорости напряжением якоря естественная характеристика n Uя = Uян n 1 естественная характеристика n искусственные характеристики U я < Uян n 1 U я < U я n 1 искусственные характеристики n 1 M M 0 M 1 а) n n 1 естественная характеристика 0 в) M 1 искусственные характеристики n 1 n 1 0 M M 1 б) 47

n искусственные характеристики Ф = 0, 5 Фн n 1 Ф = 0, 7 Фн n 1 Ф = Фн естественная характеристика M 0 M 1 48