Уравнение машины постоянного тока

Принцип работы машины постоянного тока

Принцип действия машины постоянного тока

Устройство электрической машины постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части ( индуктора) и вращающейся части ( якоря с барабанной обмоткой).

На рис. 1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока

Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток. Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине. Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5 для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Принцип действия машины постоянного тока

Рассмотрим работу машины постоянного тока в режиме генератора на модели рис.2,

Внешние поверхности проводников очищены от изоляции, а на эти поверхности проводников наложены неподвижные контактные щетки. Контактные щетки размещены на линии геометрической нейтрали, проведенной посредине между полюсами. Приведем якорь машины во вращение в направлении, указанном стрелкой. Определим направление ЭДС, индуктированных в проводниках якорной обмотки по правилу правой руки.

Два проводника, соединенные последовательно, образуют один виток или одну катушку.

Если соединить все проводники обмотки по определенному правилу последовательно, то результирующая ЭДС якорной обмотки равна нулю, ток в обмотке отсутствует.

Схема замещения якорной обмотки

Якорь электродвигателя

Работа электрической машины постоянного тока в режиме генератора

Любая электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. может работать в режиме генератора или двигателя. Если к зажимам приведенного во вращение якоря генератора присоединить сопротивление нагрузки, то под действием ЭДС якорной обмотки в цепи возникает ток

Уравнение (2) называется основным уравнением генератора. С появлением тока в проводниках обмотки возникнут электромагнитные силы.

На рис. 5 схематично изображен генератор постоянного тока, показаны направления токов в проводниках якорной обмотки.

Рис. 5

Воспользовавшись правилом левой руки, видим, что электромагнитные силы создают электромагнитный момент Мэм, препятствующий вращению якоря генератора.Чтобы машина работала в качестве генератора, необходимо первичным двигателем вращать ее якорь, преодолевая тормозной электромагнитный момент, возникающий по правилу Ленца.

Генераторы с независимым возбуждением. Характеристики генераторов

Магнитное поле генератора с независимым возбуждением создается током, подаваемым от постороннего источника энергии в обмотку возбуждения полюсов.

Схема генератора с независимым возбуждением показана на рис. 6.

Магнитное поле генераторов с независимым возбуждением может создаватьсяот постоянных магнитов (рис. 7).

Рис. 6 Рис. 7

Зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения называется характеристикой холостого хода E = Uхх = f (Iв).Характеристику холостого хода получают при разомкнутой внешней цепи (Iя) и при постоянной частоте вращения (n2 = const)

Характеристика холостого хода генератора показана на рис. 8.

Из-за остаточного магнитного потока ЭДС генератора не равна нулю при токе возбуждения, равном нулю. При увеличении тока возбуждения ЭДС генератора сначала возрастает пропорционально.Соответствующая часть характеристики холостого хода будет прямолинейна. Но при дальнейшем увеличении тока возбуждения происходит магнитное насыщение машины, отчего кривая будет иметь изгиб. При последующем возрастании тока возбуждения ЭДС генератора почти не меняется.

Если уменьшать ток возбуждения, кривая размагничивания не совпадает с кривой намагничивания из-за явления гистерезиса.Зависимость напряжения на внешних зажимах машины от величины тока нагрузки U = f (I) при токе возбуждения Iв = const называют внешней характеристикой генератора.

Внешняя характеристика генератора изображена на рис. 9.

Рис. 8 Рис. 9

С ростом тока нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается из-за увеличения падения напряжения в якорной обмотке.

5. Генераторы с самовозбуждением. Принцип самовозбуждения генератора с параллельным возбуждением

Недостатком генератора с независимым возбуждением является необходимость иметь отдельный источник питания. Но при определенных условиях обмотку возбуждения можно питать током якоря генератора.Самовозбуждающиеся генераторы имеют одну из трех схем: с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

На рис. 10 изображен генератор с параллельным возбуждением.

Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке. В цепь возбуждения включен реостат Rв. Генератор работает в режиме холостого хода.Чтобы генератор самовозбудился, необходимо выполнение определенных условий.

Первым из этих условий является наличие остаточного магнитного потока между полюсами. При вращении якоря остаточный магнитный поток индуцирует в якорной обмотке небольшую остаточную ЭДС.

Вторым условием является согласное включение обмотки возбуждения. Обмотки возбуждения и якоря должны быть соединены таким образом, чтобы ЭДС якоря создавала ток, усиливающий остаточный магнитный поток. Усиление магнитного потока приведет к увеличению ЭДС. Машина самовозбуждается и начинает устойчиво работать с каким-то током возбуждения Iв = const и ЭДС Е = const, зависящими от сопротивления Rв в цепи возбуждения.

Рис. 11

Ток обмотки возбуждения увеличивает магнитный поток полюсов при согласном включении обмотки возбуждения. ЭДС, индуцированная в якоре, возрастает, что приводит к дальнейшему увеличению тока обмотки возбуждения, магнитного потока и ЭДС. Рост ЭДС от тока возбуждения замедляется при насыщении магнитной цепи машины.

Работа электрической машины постоянного тока в режиме двигателя

Под действием напряжения, подведенного к якорю двигателя, в обмотке якоря появится ток Iя. При взаимодействии тока с магнитным полем индуктора возникает электромагнитный вращающий момент

Ток в проводнике направлен от нас. Направление электромагнитного вращающего момента определится по правилу левой руки. Якорь вращается против часовой стрелки. В проводниках якорной обмотки индуцируется ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки. Эта ЭДС направлена встречно току якоря, ее называют противо-ЭДС.Рис. 12

В установившемся режиме электромагнитный вращающий момент Мэм уравновешивается противодействующим тормозным моментом М2 механизма, приводимого во вращение.

Рис.13

Уравнение (3) называется основным уравнением двигателя.

Из уравнения (3) можно получить формулы:

Магнитный поток Ф зависит от тока возбуждения Iв, создаваемого в обмотке возбуждения. Из формулы (5) видно, что частоту вращения двигателя постоянного тока n2 можно регулировать следующими способами:

Чтобы изменить направление вращения двигателя на обратное (реверсировать двигатель), необходимо изменить направление тока в обмотке якоря или индуктора.

Механические характеристики электродвигателей постоянного тока

Рассмотрим двигатель с параллельным возбуждением в установившемся режиме работы (рис. 14). Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке.

Рис. 14

Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения якоря n2 от момента на валу M2 при U = const и Iв = const.

Уравнение (6) является уравнением механической характеристики двигателя с параллельным возбуждением.

Эта характеристика является жесткой. С увеличением нагрузки частота вращения такого двигателя уменьшается в небольшой степени (рис. 15).

На рисунке 16 изображен двигатель последовательного возбуждения. Якорная обмотка и обмотка возбуждения включены последовательно.

Ток возбуждения двигателя одновременно является током якоря. Магнитный поток индуктора пропорционален току якоря.

Механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения является мягкой (рис. 17).

С увеличением нагрузки скорость двигателя резко падает. С уменьшением нагрузки на валу двигатель развивает очень большую частоту вращения. Говорят, что двигатель идет вразнос. Работа двигателя последовательного возбуждения без нагрузки недопустима. Двигатель смешанного возбуждения имеет механическую характеристику, представляющую собой нечто среднее между механическими характеристиками двигателя параллельного и последовательного возбуждения. Двигатели с параллельным возбуждением применяются для привода станков и различных механизмов, требующих широкой, но жесткой регулировки скорости.Двигатели с последовательным возбуждением применяются в качестве тяговых двигателей электровозов, трамваев и т.д., когда жесткость, то есть рывки момента недопустимы.

Машины постоянного тока устройство и принцип действия

Неподвижная часть машины, называемая индуктором, состоит из полюсов и стального ярма, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в машине основного магнитного потока.

Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум.

На коллектор наложены две неподвижные щетки, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

Основной магнитный поток в нормальных машинах постоянного тока создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током.

Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к южному полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу. Сердечники полюсов и ярмо также изготовляются из ферромагнитных материалов.

Режим двигателя

Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы Fпр и возникнет электромагнитный момент Mэм. Величины Fпр и Mэм, как и для генератора, определяются равенствами (4) и (5). При достаточном значении Mэм якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент Mэм при этом является движущим и действует в направлении вращения.

В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве инвертора тока.

Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется э. д. с. Eа, значение которой определяется равенством (1).

Направление этой э. д. с. в двигателе (рисунок 2, б) такое же, как и в генераторе (рисунок 2, а). Таким образом, в двигателе э. д. с. якоря Eа направлена против тока Iа и приложенного к зажимам якоря напряжения Uа. Поэтому э. д. с. якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой.

Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается э. д. с. Eа и падением напряжения в обмотке якоря:

Из сравнения равенств (3) и (6) видно, что в генераторе Uа Eа.

Принцип обратимости

Из изложенного выше следует, что каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью.

Для перехода машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря.Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.Аналогичным образом может происходить изменение режима работы также в машинах переменного тока.

Преобразование энергии

На рисунке 5 показаны направления действия механических и электрических величин в якоре генератора и двигателя постоянного тока.

Рисунок 5. Направление э. д. с., тока и моментов в генераторе (а) и двигателе (б) постоянного тока

Согласно первому закону Ньютона в применении к вращающемуся телу, действующие на это тело движущие и тормозные вращающие моменты уравновешивают друг друга. Поэтому в генераторе при установившемся режиме работы электромагнитный момент

где Mв – момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем, Mтр – момент сил трения в подшипниках, о воздух и на коллекторе электрической машины, Mс – тормозной момент, вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря. Эти потери мощности появляются в результате вращения сердечника якоря в неподвижном магнитном поле полюсов. Возникающие при этом электромагнитные силы оказывают на якорь тормозящее действие и в этом отношении проявляют себя подобно силам трения.

В двигателе при установившемся режиме работы

где Mв – тормозной момент на валу двигателя, развиваемый рабочей машиной (станок, насос и т. п.).

В генераторе Mэм является тормозным, а в двигателе – вращающим моментом, причем в обоих случаях Mв и Mэм противоположны по направлению.

Развиваемая электромагнитным моментом Mэм мощность Pэм называется электромагнитной мощностью и равна

представляет собой угловую скорость вращения.

Подставим в выражение (8) значение Mэм и Ω из равенств (5) и (9) и учтем, что линейная скорость на окружности якоря

или на основании выражения (1)

В обмотке якоря под действием э. д. с. Eа и тока Iа развивается внутренняя электрическая мощность якоря

Согласно равенствам (10) и (11), Pэм = Pа, т. е. внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, развиваемой электромагнитным моментом, что отражает процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.

Умножим соотношения (3) и (6) на Iа. Тогда для генератора будем иметь

Левые части этих выражений представляют собой электрические мощности на зажимах якоря, первые члены правых частей – электромагнитную мощность якоря и последние члены – электрические потери мощности в якоре.

Приведенные соотношения действительны и при более сложной обмотке якоря, так как э. д. с. и моменты отдельных проводников складываются. Эти соотношения являются выражением закона сохранения энергии и отражают процесс преобразования энергии в машине постоянного тока.

Согласно им 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.

Установленные выше применимо к машине постоянного тока общие закономерности превращения энергии в равной степени относятся также к машинам переменного тока.

Классификация МПТ

В электромашиностроении и теории электромашин принято разделять МПТ на устройства с явно и с неявно выраженными полюсами возбуждения, с цилиндрической или многогранной станиной, с возбуждением постоянным током или постоянными магнитами, с механическим коммутатором-коллектором на якоре или бесконтактные. Назначение машин постоянного тока разделяет их на общепромышленные и специализированные. Среди последних можно назвать, например, тяговые ДПТ, используемые в рельсовом транспорте. Выделяются также металлургические ДПТ, в особенности двигатели для прокатных станов и т. д.

Электрические машины постоянного тока независимо от того, являются ли они генераторами или двигателями, могут быть классифицированы на основе схем соединения их обмоток возбуждения и якоря. Они могут составлять единую электрическую цепь или же вообще не иметь электрической связи (независимое возбуждение). Этот принцип классификации делит МПТ на два основных типа. Вы поймете дальнейшую их классификацию из представленной ниже схемы.

Магнитное поле МПТ при нагрузке

В нагруженной МПТ имеется два вида магнитных потоков: поток ОВ и поток ОЯ, создаваемые токами этих обмоток. Силовые линии первого из них направлены вдоль осей пары полюсов, через которые он замыкается, как это показано на фигуре 1 на рисунке ниже. Такой поток возбуждения называется продольным. Если полюсов в МПТ больше двух, то в воздушном зазоре под наконечником каждого из них это поле также является продольным.

Силовые линии потока ОЯ замыкаются поперек оси полюсов, поэтому применительно к МПТ говорят о поперечном поле якоря, которое показано на фигуре 2 на том же рисунке.

Особенности двигателей постоянного тока

У двигателей постоянного тока есть одно неоспоримое преимущество перед аналогами, работающими на переменном токе. Эти агрегаты могут плавно и точно регулировать свою скорость вращения, у них высокое быстродействие, а также они обладают большими перегрузочными и пусковыми моментами.

Сегодня их используют:

Машина постоянного тока – двигатель троллейбуса

Как устроены машины, работающие на постоянном токе

Электрические машины постоянного тока являются обратимыми устройствами, то есть они при определенном подключении могут использоваться либо как двигатель, либо как генератор тока.

Генератор в разрезе

Устройство машин постоянного тока

Коммутация в машинах постоянного тока

Совет! Пункты 4 и 5 являются частями статора – неподвижной электрической части машины, которая может выступать в роли мощного электромагнита (режим двигателя) или обмотки индуктирующей напряжение (генераторный режим).

Интересно знать! Никакой двигатель не может преобразовывать энергию без потерь – ее часть всегда уходит в тепло.

Устройство и принцип действия машин постоянного тока — статор

Основными рабочими частями машин постоянного тока являются ротор, который тут чаще называют якорем, и статор. Данную часть конструкции называют внутренней электрической.

Существует также и внешняя электрическая часть, с помощью которой осуществляется управление двигателем, а также подключаются внешние электрические сети.

Устройство машины постоянного тока – якорь располагается на валу

Остальные элементы относятся к механической части.

Коммутация тока в машинах постоянного тока

Сам якорь имеет следующее строение:

Рисунок 5. Схема электромотора с многообмоточным якорем

Коллектор

Если на выводы обмоток ротора подключить источник постоянного тока, якорь сделает пол-оборота и остановится. Для продолжения процесса вращения необходимо поменять полярность подводимого тока. Устройство, выполняющее функции переключения тока с целью изменения полярности на выводах обмоток, называется коллектором.

Самый простой коллектор состоит из двух, изолированных полукруглых пластин. Каждая из них в определённый момент контактирует со щёткой, с которой снимается напряжение. Одна ламель всегда подсоединена к плюсу, а вторая – к минусу. При повороте вала на 180º пластины коллектора меняются местами, вследствие чего происходит новая коммутация со сменой полярности.

Такой же принцип коммутации питания обмоток используются во всех коллекторах, в т. ч. и в устройствах с большим количеством ламелей (по паре на каждую обмотку). Таким образом, коллектор обеспечивает коммутацию, необходимую для непрерывного вращения ротора.

В современных конструкциях коллектора ламели расположены по кругу таким образом, что каждая пластина соответствующей пары находится на диаметрально противоположной стороне. Цепь якоря коммутируется в результате изменения положения вала.

Принцип работы

На провод под напряжением, расположенный между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг проволоки образуется магнитное поле по всей его длине. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая «Амперова» сила:

F=B×I×L, где B означает величину магнитной индукции поля, I – сила тока, L – длина провода.

Вектор «Амперовой» всегда перпендикулярен до линий магнитных потоков между полюсами.

Схематически принцип работы изображён на рис. 6.

Рис. 6. Принцип работы ДПТ

Если вместо прямого проводника возьмём контурную рамку и подсоединим её к источнику тока, то она повернётся на 180º и остановится в в таком положении, в котором результирующая сила окажется равной 0. Попробуем подтолкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.

Поменяем полярность тока и повторим попытку: рамка сделала ещё пол-оборота.

Схематически можно представить себе каждую якорную обмотку в виде отдельной контурной рамки. Если обмоток несколько, то в каждый момент времени одна из них подходит к магниту статора и оказывается под действием выталкивающей силы. Таким образом, поддерживается непрерывное вращение якоря.

Типы двигателей постоянного тока

Двигатель постоянного тока является наиболее часто используемым приводом для создания непрерывного движения, скорость вращения которого легко регулируется. Их исполшьзуют в таких устройствах, как регулирование скорости, управление сервоприводом.

Доступно три типа двигателей постоянного тока.

Обычные двигатели постоянного тока имеют почти линейные характеристики, скорость вращения которых определяется приложенным напряжением постоянного тока, а их выходной крутящий момент определяется током, протекающим через обмотки двигателя. Скорость вращения любого двигателя постоянного тока может варьироваться от нескольких оборотов в минуту (об / мин) до многих тысяч оборотов в минуту, что делает их пригодными для применения в электронике, автомобилестроении или робототехнике. При подключении их к коробкам передач или зубчатым передачам их выходная скорость может быть уменьшена, в то же время увеличивая крутящий момент двигателя на высокой скорости.

Источник

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Оглавление

3.1 Устройство и принцип действия

двигателя постоянного тока (ДПТ)

1) правила получения электрического тока – «ток I создается в замкнутом контуре К, содержащем источник э.д.с. Е и нагрузку; направление тока I совпадает с направлением э.д.с. Е«;

2) правило получения магнитного поля – «вокруг проводника с током I создается магнитное поле Ф ; направление поля Ф определяется правилом буравчика»;

3) правило получения механической силы – «на проводник с током I, помещенным в магнитное поле Ф, действует механическая сила F; направление силы F определяется правилом левой руки»;

4) правило получения индукционной э.д.с. Е – «при всяком изменении магнитного поля Ф, пронизывающем контур К, в контуре наводится э.д.с. Е; направление индукционной э.д.с. определяется правилом Ленца, причем перед его применением контур с э.д.с. надо замкнуть».

Четвертое правило применительно к МПТ можно заменить на более простое правило правой руки, причем процедура определения направления индукционной э.д.с. Е существенно проще правила Ленца.

Пусть контур (рис.3.1,а), вращающийся с частотой ω в магнитном поле, характеризуемым индукцией В поля, за время dt повернется на угол dα, причем dα=ω·dt. При поперечном D и продольном l размерах контура изменение площади dS, которую пронизывают лини магнитного поля индукцией В, за время dt будет равно

а изменение магнитного потока за то же время dt составит

В контуре в соответствии с явлением электромагнитной индукции наведётся э.д.с. Е₂, равная

Линейная скорость v вращения проводника контура составит величину

Формула (3.2) с учетом (3.3) примет вид

При вращении контура относительно поля перемещаются два продольных проводника l, и, поэтому в каждом и них будет наведена э.д.с. Е, составляющая ровно половину э.д.с. Е₂ Учитывая это, в каждом из проводников контура, перемещающемся в магнитном поле, буде наведена э.д.с., равная

Формулой (3.4) установлено правило получения индукционной э.д.с. Е в МПТ: «В проводнике, перемещающемся со скоростью v в магнитном поле с индукцией В, наводится э.д.с. Е«.

Направление э.д.с. Е, определенное с помощью правила Ленца будет таким, как показано на рис.3.1,а.

Построения, приведенные на рис.3.1,а и вид формулы (3.4), приводят к правилу правой руки (рис.3.1,б): «Правую руку нужно расположить так, чтобы в ладонь входили линии магнитного поля Ф, а большой отогнутый палец указывал на направление перемещения проводника в поле, то направление э.д.с. укажут остальные четыре пальца».

Отмечаем, что правило правой руки не является универсальным, каким является правило Ленца, применительно к базовому определению получения индукционной э.д.с., но его применение при анализе МПТ является боле простым и, поэтому, предпочтительным.

Двигатель постоянного тока (ДПТ) содержит (рис.3.2):

— обмотку возбуждения (ОВ), расположенную на статоре; к ОВ приложено постоянное напряжение возбуждения U_OB, которое создаёт в ней постоянный ток I_OB, который создает постоянное магнитное поле возбуждения Ф_ОВ; с помощью полюсных наконечников, называемых из-за их формы, полюсными башмаками, вдоль их создается постоянное по величине магнитное поле; это поле называется основным Ф_осн;

— ротор, называемый в ДПТ якорем; к обмотке якоря через расположенные на нем пластины коллектора и прилегающие к пластинам щетки, подводится внешнее постоянное напряжение, называемое напряжением якоря U_Я; это напряжение создает в обмотке якоря постоянный ток якоря I_Я.

Принцип действия ДПТ состоит в следующем: на проводники якоря, обтекаемые током I_Я, помещенные в магнитное поле Ф_ОВ обмотки возбуждения, действуют механические силы F. Направление сил F определяется правилом левой руки.

Проводники обмотки якоря укладываются в пазы якоря и подключаются к пластинам коллектора таким образом, что в частях обмотки якоря, расположенных по разные стороны относительно щеток, токи имеют одно и то же направление. Благодаря такому исполнению якоря, силы F, действующие на все проводники якорной обмотки, создают одинаковые по направлению вращающие моменты, следовательно, складываются и этим заставляют ротор вращаться в одну сторону, например против часовой стрелке, как показано на рис.3.2. Направление вращения якоря с частотой ω совпадает с направлением момента М. Если изменить полярность приложенного к якорю напряжения U_Я, то изменится направления тока I_Я во всех проводниках обмотки якоря, и ДПТ будет вращаться в другую сторону.

Помимо основного эффекта – получения вращающего момента М, в ДПТ существует побочный эффект – возникновение в якоре э.д.с. вращения Е. Эта э.д.с. возникает за счет того, что проводники якоря перемещаются в магнитном поле обмотки возбуждения Ф_ОВ. Направление э.д.с. вращения Е, определенное по правилу правой руки, противоположно току I_Я. Так как ток I_Я создается приложенным к якорю ДПТ напряжением U_Я, то направления I_Я и U_Я совпадают, а э.д.с. вращения Е направлена навстречу к U_Я. Поэтому э.д.с. вращения Е называют также противо-э.д.с. Установленное соотношение между направлениями Е и U_Я позволяет записать следующее уравнение цепи якоря ДПТ:

В соответствии с (3.2) э.д.с. вращения Е прямо пропорционально индуктивности В магнитного поля возбуждения, размерам обмотки D и l и частоте вращения ω якоря. Указанную пропорциональность принято записывать в виде

где с_Ф – коэффициент магнитного потока ДПТ.

Уравнение якорной цепи ДПТ примет вид

Вопросы и задания

1. Какие электромагнитные явления наблюдаются в электрических машинах?

2. Как привести явление электромагнитной индукции к правилу правой руки?

3. Поясните устройство и назначение отдельных элементов ДПТ.

4. Каков принцип действия ДПТ?

5. Какой побочный эффект возникает во вращающемся ДПТ?

6. Поясните вывод уравнения электрического состояния якорной цепи ДПТ.

3.2 Устройство и принцип действия

генератора постоянного тока (ГПТ)

Вводная часть та же, что и теме 3.1.

Генератор постоянного тока (ГПТ) состоит из тех же элементов, что и ДПТ (сравните рис.3.2 и рис.3.3).

Назначением обмотки возбуждения является создание постоянного магнитного поля в зазоре между статором и якорем. Якорь ГПТ приводится во вращение сторонним двигателем, например, дизелем.

Принцип действия ГПТ состоит в следующем: в проводниках якоря, перемещающихся (вращающихся) в магнитном поле обмотки возбуждения Ф_ОВ наводится э.д.с. Е. Направление э.д.с. Е определяется правилом правой руки. Э.д.с. Е снимается со щеток и выводится на клеммы генератора.

Если к клеммам ГПТ подключить нагрузку R_H, замкнув ключ SA, то в нагрузке потечет ток якоря I_Я, которым будет создано на сопротивлении нагрузки R_H напряжение U_Я. Направление тока I_Я совпадает с направлением э.д.с. Е.

Уравнение цепи якоря, оставленное по 2-му закону Кирхгофа, имеет вид:

Уравнения ГПТ (3.8) и ДПТ (3.5 и 3.7) одинаковые по структуре и отличаются только знаком тока I_Я.

Помимо основного эффекта – получения э.д.с. Е, в ГПТ существует побочный эффект – возникновение тормозящего момента М_Т. направлено навстречу моменту М_диз дизеля. Тормозящий момент М_Т возникает за счет взаимодействия проводников обмотки якоря, обтекаемых током I_Я нагруженного генератора, и магнитного поля обмотки возбуждения Ф_ОВ. Направление момента М_Т определенное по правилу левой руки, будет противоположным направлению момента М_диз, и если М_диз заставляет якорь вращаться с частотой ω, то момент М_Т будет направлен навстречу вращению. Величина тормозного момента М_Т прямо пропорциональна коэффициенту магнитного потока с_Ф ГПТ и току якоря I_Я:

Дизель развивает момент М_диз за счет сжигания в нем топлива, что является расходованием тепловой энергии W_T. ГПТ вращается с постоянной частотой ω благодаря тому, что дизелем постоянно поддерживается равенство моментов: М_диз=М_Т. Возникновение момента М_Т связано с током I_Я (3.9). Этим током в сопротивлении R_H выделяется электрическая энергия Энергия W_Э может взята только из тепловой W_T. Если якорь ГПТ приводится во вращение водяной турбиной падающим на нее потоком воды, то для вращения ГПТ расходуется механическая энергия. Значит, в ГПТ происходит преобразование в электрическую энергию энергии другого вида от устройства, способного вращать якорь ГПТ.

Вопросы и задания

1. Поясните принцип действия ГПТ и вид уравнения электрического состояния его якорной цепи.

2. Какой побочный эффект возникает в нагруженном ГПТ?

3. Поясните физику преобразования энергии сторонних механизмов, вращающих якорь ГПТ, в энергию электрическую.

3.3 Поперечная реакция якоря в МПТ

Для изложения сути вопроса понадобятся рисунки, составленные на основе рис.3.2 и 3.3. Для упрощения их начертания приняты следующие соглашения:

1). Обмотки возбуждения не будем отображать, оставим только изображения (в виде стрелок) созданного ими магнитного поля.

2). Коллектор не будем изображать, переместив щеточный контакт с обмоткой якоря на сами проводники якоря, оголив их в местах контакта от изоляции. Места установки щеток определяем по перемычкам (изогнутым линиям), проведенным от обмотки якоря в пазу до пластины коллектора. Естественно, такая конструкция контакта на практике неприемлема из-за значительного истирания щеток об выступающую обмотку.

3). Все линии магнитного поля вокруг якоря, созданные обмоткой возбуждения, заменим одним суммарным вектором Ф_осн (рис.3.4,а), оставив за ним следующее свойство породившего его поля в зазоре: в верхней части относительно щеток магнитные поля зазора направлены к центру якоря, а в нижней – от центра.

4). Примем как реальной возможность восстановления линий магнитного поля в зазоре по результирующему вектору, например, Ф_ря, задав дополнительно для поля в зазоре его равномерность (рис.3.4,б).

Свободное применений правил, изложенных в п.3 и 4, позволяет при построениях использовать только суммарные вектора Ф_осн и Ф_ря, что упрощает графику рисунков, помня, что всегда можно перейти к полю в зазоре, отображенному десятками стрелок.

Токи, протекающие в обмотке якоря МПТ, создают магнитное поле обмотки, называемое полем реакции якоря и обозначаемое как Ф_ря. Направление вектора поля Ф_ря определяется правилом буравчика. Получается, что обмотка якоря МПТ перемещается и взаимодействует с полем Ф_Σ, являющимся векторной суммой полей Ф_осн и Ф_ря. Естественно, это отразится на работе и рабочих характеристиках МПТ. Влияние поля Ф_ря на рабочие характеристики МПТ называется реакцией якоря. Ввиду различия рабочих характеристик ДПТ и ГПТ, рассмотрим вопрос реакции якоря раздельно для ДПТ и ГПТ.

Вектор основного магнитного потока Ф_осн, созданного обмоткой возбуждения направлен вниз и перпендикулярен оси, на которой установлены щетки. Ось, проходящая через щетки, называется геометрической нейтралью – ГН.

Ток I_Я в обмотке якоря создает магнитное поле якоря Ф_ря, которое направлено влево. Его направление определено по правилу буравчика. Суммой двух полей Ф_осн и Ф_ря является поле Ф_Σ. Линия перпендикулярная полю Ф_Σ называется физической нейтралью – ФН. Если поле Ф_Σ разложить на составляющие поля вдоль зазора между полюсами статора и якорем по правилу, отображенному на рис.3.4,б, то окажется:

— над ФН линии магнитного поля зазора будут направлены к центру якоря;

— на линии ФН поле зазора будет нулевым.

С учетом изложенного направление поля зазора в заштрихованном секторе изменится на противоположное. Направление тока I_Я в обмотке якоря не изменится во всех ее витках, уложенных в пазы. Если применить к проводникам якоря, расположенных в заштрихованных секторах, правило левой руки, то окажется, что направление механической силы F изменится на противоположное, заставляющее ротор вращаться по часовой стрелке. В не заштрихованной части ротора механическая сила будет вращать ротор против часовой стрелки. Суммарный момент, действующий на якорь, уменьшится в сравнении с моментом, развиваемым без учета поля Ф_ря. Следовательно, реакция якоря ДПТ уменьшает его вращающий момент, а это основная характеристика двигателя.

Из построений, приведенных на рис.3.5, следует, что при реакции якоря в ДПТ происходит поворот нейтрали против направления вращения якоря. Это правило важно для практического устранения отрицательного действия реакции якоря на вращающий момент ДПТ.

Вектор основного магнитного потока Ф_осн, созданного обмоткой возбуждения направлен вниз и перпендикулярен оси, на которой установлены щетки. Ось, проходящая через щетки, называется геометрической нейтралью – ГН.

В уложенных в пазы витках обмотки якоря будет индуктироваться э.д.с. Е, направлений, определенных правилом правой руки, указанных на не заштрихованных секторах. Такого же направления будет ток I_Я в обмотке якоря. Ток I_Я создает магнитное поле якоря Ф_ря, которое направлено вправо. Его направление определено по правилу буравчика. Суммой двух полей Ф_осн и Ф_ря является поле Ф_Σ. Линия перпендикулярная полю Ф_Σ называется физической нейтралью – ФН. Если поле Ф_Σ разложить на составляющие поля вдоль зазора между полюсами статора и якорем по правилу, отображенному на рис.3.4,б, то окажется:

Реакция якоря в ДПТ (рис.3.5).

Реакция якоря в ГПТ (рис.3.6).

— над ФН линии магнитного поля зазора будут направлены к центру якоря;

— на линии ФН поле зазора будет нулевым.

С учетом изложенного направление поля зазора в заштрихованном секторе изменится на противоположное. Направление э.д.с. Е изменится на противоположное. В не заштрихованной части ротора э.д.с. Е не изменит напрвление, т.е будет таким, как при работе ГПТ вхолостую. Суммарная э.д.с. Е, определяемая как сумма э.д.с. в витках, ограниченных щетками, уменьшится в сравнении с суммой э.д.с. без учета поля Ф_ря. Следовательно, реакция якоря ГПТ уменьшает его э.д.с. ГПТ, а это основная характеристика генератора.

Из построений, приведенных на рис.3.6, следует, что при реакции якоря в ГПТ происходит поворот нейтрали по направлению вращения якоря. Это правило важно для практического устранения отрицательного действия реакции якоря на величину э.д.с. ГПТ.

Компенсация реакции якоря в МПТ.

Влияние реакции якоря как на ДПТ, так и на ГПТ, отрицательное, так как у ДПТ понижается вращающий момент, а ГПТ понижается э.д.с. Е и, следовательно, напряжение U_Я на нагрузке.

Если ДПТ или ГПТ работают со стабильной нагрузкой, то реакцию якоря можно скомпенсировать путем поворота траверсы, на которой установлены щетки:

— у ДПТ траверсу щеток нужно поворачивать против вращения якоря;

— у ГПТ траверсу щеток нужно поворачивать по вращению якоря.

Если ДПТ или ГПТ работают с изменяющейся в больших пределах нагрузкой, то реакцию якоря можно скомпенсировать установкой на статоре МПТ дополнительных полюсов (рис.3.7).

Вопросы и задания

1. Что называется реакцией якоря у МПТ?

2. К каким отрицательным последствиям приводит реакция якоря у ДПТ?

3. К каким отрицательным последствиям приводит реакция якоря у ГПТ?

4. Поясните принцип компенсации реакции якоря с помощью дополнительных полюсов.

3.4 Магнитодвижущие силы и э.д.с. обмоток МПТ

Обмотка якоря МПТ состоит из многовитковых секций, уложенных в пазы ротора. Каждая секция подключена к смежным пластинам коллектора. К коллектору прилегают щетки (рис.3.8). Чтобы снять с обмотки якоря во внешнюю цепь максимальное напряжение, необходимо:

— секции соединить последовательно, что обеспечить суммирование индуктируемых в секциях э.д.с.;

— наложить щетки на те пластины коллектора, между которыми напряжение максимальное.

Такие пластины при холостом ходе ГПТ расположены на геометрической нейтрали (рис.3.6), а при наличии дополнительных полюсов (рис.3.7) щетки также должны быть установлены на геометрической нейтрали.

Обмотками возбуждения, заканчивающимися фигурными полюсными наконечниками (рис.3.2 и 3.3), в зазоре между полюсами и якорем реальное поле (рис.3.8), которое:

— в пределах наконечников значение индукции поля В_х практически постоянное;

— на участках якоря, расположенных между полюсами индукция магнитного поля непрерывно изменяется от максимального поля одного знака (северного полюса N) до максимального полюса другого знака (южного полюса S).

Рамки секций якорной обмотки имеют ширину, практически равную расстоянию между центрами полюсов. Рамка перемещается относительно полюсов со скоростью v. Если сторона рамки перемещается в магнитном поле с индукцией В_х, то в ней индуктируется э.д.с. Е_х прямо пропорциональная индукции В_х (3.4). Значит графики э.д.с. Е_х и индукции В_х подобные по форме (на рис.3.8 эти графики показаны совпадающими, что возможно после выбора соответствующего масштаба для графика Е_х).

Чтобы в секции якорной обмотки индуктировалась максимальная э.д.с. Е_тах, нужно чтобы стороны секции перемещались точно под полюсами обмотки возбуждения (рис.3.8,а). Но к пластинам коллектора, на которые выведены концы такой секции, не должны прилегать щетки, которые перекрывая обе пластины создадут в секции ток короткого замыкания большой величины.

В секции якорной обмотки, стороны которой перемещаются в межполюсном пространстве (рис.3.8,б) с переходной индукцией поля, э.д.с. будет меньше максимальной Е_тах, а при прохождении участка поля В_х, в котором оно нулевое или близкое к нулю, в секции будет индуктироваться близкая к нулю э.д.с. Е₁. Именно к коллекторным пластинам такой секции и нужно прикладывать щетки. Щетками будут обязательно замкнутыми накоротко смежные коллекторные пластины. Однако из-за малости э.д.с. Е₁ ток короткого замыкания в секции будет небольшим и подгорание закороченных смежных пластин будет небольшим. Если бы удалось вдоль якоря создать поле идеальной формы (рис.3.8), то между смежными пластинами коллектора э.д.с. была бы нулевой и тока короткого замыкания в секции не было бы. Таким образом, оптимальность графика реального магнитного поля над якорем оценивается степенью его близости к идеальному графику.

Если рассматривать вопросы выбора для ДПТ вида графика индукции магнитного поля В_х вдоль ротора и определения места установки щеток, то:

— щетки нужно прижимать к тем смежным пластинам коллектора, к которым выведены секции якорной обмотки, стороны которой проходят точку посредине между полюсами; объяснением такой установке щеток является тот факт, что в обмотке ДПТ индуктируется э.д.с вращения, которое по секциям выводится на смежные пластины коллектора;

— график индукции магнитного поля должен в пределах полюсов максимально протяженным, а между полюсами максимально узким настолько, чтобы можно было установить в ДПТ щетки; максимальная протяженность графика поля возбуждения обеспечивает сцепление якорной обмотки с протекающим по ней током с максимальным числом линий магнитного поля и, следовательно, получение максимального вращающего момента ДПТ.

Таким образом, требования к виду графика магнитного поля возбуждения и выбору места установки щеток для ГПТ и ДПТ совпали.

Вопросы и задания

1. Какие требования к обмотке якоря и к установке щеток должны быть выполнены, чтобы можно было снять с обмотки якоря ГПТ во внешнюю цепь максимальное напряжение?

2. Какие требования к обмотке якоря и к установке щеток должны быть выполнены, чтобы можно было снять с обмотки якоря ГПТ во внешнюю цепь максимальное напряжение?

3.5 Петлевые якорные обмотки МПТ,

Якорные обмотки выполняются по шаблону в виде секций и укладываются в пазы якоря. Основной способ укладки в два слоя, когда в одном пазу на разных ярусах уложены пучки витков, образующих стороны двух секций. Два вывода каждой секции припаяны (приварены) к паре коллекторных пластин. По способу подключения секций к пластинам якорные обмотки подразделяются на петлевые и волновые. Независимо от вида обмоток обязательными являются два условия:

— две активные стороны секции обмотки должны располагаться под разноименными полюсами – одна под северным полюсом, а другая – под южным;

— активные стороны секций, выводы которых подключены к тем пластинам коллектора, к которым прилегают щетки, должны находиться в межполюсном разрыве.

Для упрощения начертания схем обмоток якоря реальные многовитковые секции будет изображать в виде одного витка.

Рассмотрим четырехполюсную МПТ. Схема укладки в пазы и подсоединения секций к коллекторным пластинам, показанные на рис.3.9, выполнены с учетом следующих моментов:

— активная сторона секции, уложенная в нижний ярус паза показана пунктиром, а в верхний ярус – сплошной линией;

— количество пластин коллектора равно числу пазов на якоре;

— разделительный изоляционный промежуток между смежными коллекторными пластинами расположены на оси симметрии той секции, концы которой присоединены к указанным пластинам;

— щетки устанавливаются на осях симметрии полюсов;

— сдвиг по якорю между соседними секциями равен одному пазу.

ГПТ с петлевой обмоткой (рис.3.9,а)

Рассмотрим секции якорной обмотки, выводы которых подсоединены к смежным пластинам 8-9 и 10-11 коллектора (на рис.3.9 эти секции выделены утолщенными линиями).

Стороны секции, подсоединенной к пластинам 8-9, движутся вправо со скоростью v в межполюсном пространстве, в котором индукция магнитного поля близка к нулю (рис.3.8,б). Поэтому э.д.с. секции практически нулевая и она приложена к двум смежным пластинам 8 и 9, которые замкнуты накоротко прилегающей к ним щеткой. Тока короткого замыкания в щетке не будет, что и нужно для недопущения ее искрения.

ДПТ с петлевой обмоткой (рис.3.9,б)

Рассмотрим секции якорной обмотки, подсоединенным к пластинам с 4-й по 8-ю. Ток I_Я, создаваемый напряжением U_Я, втекает в щетку под пластиной 8 слева и вытекает через щетку 4 (путь прохождения тока отмечен утолщенной линией). Из проведенных построений видно, что:

— токи в сторонах секций, уложенных в один паз в разных ярусах, направлены в одну и ту же сторону;

— направления токов в сторонах секций, расположенных под полюсами S и N имеют противоположные направления.

Вопросы и задания

1. Какие условия учитываются при укладке секций обмотки якоря в пазы и определении места установки щеток?

2. Обоснуйте принцип выбора места установки щеток в ГПТ.

3. Как направлены э.д.с. в активных секциях якорной обмотки ГПТ?

4. Обоснуйте принцип суммирования секционных э.д.с. в общую э.д.с. Е ГПТ и принцип согласованности направлений э.д.с., образуемых в параллельных ветвях между щетками.

5. Как направлены токи во всех секциях якорной обмотки ДПТ?

6. Обоснуйте принцип суммирования механических сил, действующих на стороны активных секций в ДПТ.

3.6 Волновые якорные обмотки МПТ,

Вводная часть та же, что и теме 3.5.

ГПТ с волновой обмоткой (рис.3.10,а)

Рассмотрим секции якорной обмотки, выводы которых подсоединены к смежным пластинам 7-8 и 10-11 коллектора (на рис.3.9 эти секции выделены утолщенными линиями).

При движении от пластины 7 будет пройдена секция, подсоединенная к промежуточной пластине 17, и от нее будет пройдена секция, оканчивающаяся на пластине 8 (весь описанный путь показан утолщенной линией). Все стороны пройденных секций перемещаются в межполюсном пространстве, в котором индукция магнитного поля близка к нулю. Поэтому э.д.с. секциц практически нулевая и она приложена к двум смежным пластинам 7 и 8, которые замкнуты накоротко прилегающей к ним щеткой. Тока короткого замыкания в щетке не будет, что и нужно для недопущения ее искрения.

ДПТ с волновой обмоткой (рис.3.10,б)

Рассмотрим секции якорной обмотки, к которым через пластину 13 подведен «+» якорного напряжения U_Я. Далее, двигаясь по утолщенной линии, последовательно проходим пластины 5, 15, 6, 16, 7. Ток I_Я, создаваемый напряжением U_Я, втекает в пластину 13 и вытекает через пластину 7. Из проведенных построений видно, что:

— токи в сторонах секций, уложенных в один паз в разных ярусах, направлены в одну и ту же сторону;

— направления токов в сторонах секций, расположенных под полюсами S и N имеют противоположные направления.

Выбор типа обмотки МПТ.

Петлевая обмотка за счет параллельно соединенных секций выдерживает большие токи. Межколлекторные напряжения у МПТ малое. Поэтому петлевые обмотки применяют в МПТ большой мощности или же в низковольтных.

Волновая обмотка обеспечивает высокое межколлекторные напряжение, а ток в обмотках мал из-за того, что секции не соединены параллельно. Поэтому петлевые обмотки применяют в МПТ малой мощности или же в высоковольтных.

Вопросы и задания

1. Как направлены э.д.с. в активных секциях якорной обмотки ГПТ и почему напряжение между коллекторными пластинами выше, чем у ГПТ с петлевой обмоткой?

2. Обоснуйте принцип выбора места установки щеток в ГПТ.

3. Как направлены токи во всех секциях якорной обмотки ДПТ?

4. Обоснуйте принцип суммирования механических сил, действующих на стороны активных секций в ДПТ.

3.7 Уравнение коммутации МПТ, виды коммутация.

Средства улучшения коммутации

Коммутацией называется процесс изменения тока в секциях обмотки якоря при переходе щетки с одной коллекторной пластины на другую смежную с ней (рис.3.11). Если щетки искрят, то МПТ имеет плохую коммутацию, а если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей.

Причины искрения щеток разбиваются на две группы: механические и электромагнитные.

К механическим причинам относятся:

— биение коллектора, вызванное его эллиптичностью;

— шероховатость рабочей поверхности коллектора;

— наличие выступающих коллекторных пластин и изоляционных прокладок;

— вибрация щеткодержателей или заедание щеток в них;

— износ и ослабление прижимных пружин и др.

Электромагнитные причины проявляются в процессе перемещения щетки по коллектору, в результате которого происходит как замыкание секции, когда щетка перекрывает две и более пластины, так и разрыв цепи в момент схода щетки с пластины. Затраты на ремонт и эксплуатацию коллектора МПТ достигают в год 1/3 стоимости самой машины.

Рассмотрим электромагнитные причины искрения щеток.

Пусть вначале щетка прижималась к пластине 1 коллектора (рис.3.11,а). Ток i₁ в петушке (петушком называется место подключения вывода секции обмотки якоря к коллекторной пластине) секции К₁ обмотки якоря равен току якоря I_Я, а ток i₂ в петушке пластины 2 нулевой. Направления токов i₁₁, i₁₂, i₂₁ и i₂₂ в сторонах секций К и К₂ проставлены на рисунке. Пусть вращающийся якорь перемещается относительно неподвижной щетки справа-налево. Началом процесса коммутации является момент, когда щетка коснется пластины 2, оставаясь в контакте с пластиной 1. Окончанием процесса коммутации является момент, когда обрывается контакт щетки с пластиной 1 и щетка сцепляется только с пластиной 2 (рис.3.11,в). Теперь ток i₁ в петушке секции К₁ обмотки якоря будет нулевым, а ток i₂ в петушке пластины 2 будет равен току якоря I_Я. Направления токов i₁₁, i₁₂, i₂₁ и i₂₂ в сторонах секций К и К₂ проставлены на рисунке.

Из сопоставления рис.3.11,а и рис.3.11,в видно, что направления токов i₁₁ и i₂₁ изменилось на противоположное, а направления токов i₁₂ и i₂₂ не изменилось. Смена направлений токов i₁₁ и i₂₁ сопровождается индуктированием в соответствующих сторонах секций э.д.с.

Так как токи i₁₁ и i₂₁ на рис.3.11,а и рис.11.3,в являются одним и тем же током, то производные от них совпадающие и индукционная э.д.с. е_И в секции, подключенной к пластинам 1 и 2 равна сумме найденных э.д.с. е₁₁ и е₂₁

На рис.3.11 показан наконечник магнитного полюса, например, южного S, и график индукции В_х магнитного поля в зазоре (плоская часть графика) и в межполюсном промежутке (наклонные части). Площадь, ограниченная графиком В_х и осью нулевого значения В_х, является величиной магнитного потока Ф. На рис.3.11,а магнитный поток контура Ф_К1 максимальный и имеет направление южного S полюса. Магнитный поток контура Ф_К2 в целом имеет направление южного S полюса, но его величина будет меньшей Ф_К1. На рис.3.11,в магнитный поток контура Ф_К2 будет южным S и максимальным, а магнитный поток контура Ф_К1 в целом имеет направление южного S полюса, но его величина будет меньшей Ф_К2. Значит при перемещении контуров К₁ и К₂ в них будет наводиться э.д.с. вращения е_В.

Сумма э.д.с. е_И и е_В, приложенная к секции, подключенной к пластинам 1 и 2 коллектора, вызовет в этой секции переходный процесс изменения токов i₁₁ и i₂₁, который ввиду их тождественности обозначим как ток i. Уравнения переходного процесса составляем для схемы, изображенной на рис.11.3,б, в которой как раз и происходят изменения направления токов i₁₁ и i₂₁. Уравнение имеет вид:

где R_Щ1 и R_Щ2 – сопротивления скользящих контактов между щеткой и пластинами коллектора;

R_С – сопротивление проводников секции.

Обычно значения е_И и е_В намного превосходят и, поэтому, простейшее уравнение коммутации принимает вид

или с учетом (3.10) (3.12)

Решением уравнения (3.12) является закон изменения тока в процессе коммутации в МПТ

где Т_К – время коммутации, равное времени перемещения щетки с пластины 1 на пластину 2.

Если в процессе коммутации е.д.с. е_В была постоянной, то интеграл (3.13) примет вид

Подставляем в (3.14) граничные условия, получаем систему уравнений

Подставляем найденное (3.15) в (3.14)и получаем окончательно

Выражение (3.16) описывает идеальную прямолинейную коммутацию (рис.1.14), так как в момент схода щетки с пластины 1 ток в петушке этой пластины будет нулевым (рис.3.11,в) и, поэтому, искрения щетки не будет.

Если е.д.с. е_В будет так изменяться, что ток i не успеет обратиться в ноль (останется остаточный ток i_{ост.зам}), то в момент схода щетки с пластины 1 возникнет искра. Такая коммутация называется замедленной. Если е.д.с. е_В будет так изменяться, что она в момент схода щетки с пластины создаст ток остаточный ток i_{ост.уск} обратного направления (в сравнении с замедленной коммутацией) и также в момент схода щетки с пластины 1 возникнет искра. Такая коммутация называется ускоренной.

Основным средством улучшения коммутации является применение дополнительных полюсов (рис.3.7). Этим снижается величина э.д.с. е_В и, соответственно, величины остаточного тока i_ост как замедленной, так и ускоренной коммутации. Мощность искры под щеткой становится малой.

В машинах большой мощности устанавливают еще компенсационную обмотку. Укладывают ее в пазы, нарезанные в торце полюсного наконечника, обращенного к якорю.

Вопросы и задания

1. Поясните электромагнитные причины искрения щеток.

3. Составьте уравнение коммутации и найдите его решения для случая идеальной прямолинейной коммутации.

4. Что представляет собой замедленная и ускоренная коммутация и почему при этих коммутациях возникает искрение щеток?

5. Какие существуют методы устранения причин механического и электромагнитного искрения щеток?

3.8 Двигатель параллельного возбуждения

и его рабочие характеристики

Якорь Я и обмотка возбуждения ОВ подключены параллельно к источнику постоянного напряжения U через регулировочные дополнительные сопротивления R_ДЯ и R_ДВ (рис.3.13). Двигатель развивает на валу вращающий момент М и вращается с частотой ω. Такой ДПТ называют также шунтовым.

Уравнение обмотки возбуждения

Уравнения цепи якоря в переходном и установившемся режимах

Подставим (3.6) в уравнение цепи якоря (3.18) для установившегося режима:

где с_Ф – коэффициент магнитного потока ОВ, которые пропорционален току I_B в ней, определяемый согласно (3.17):

Решением уравнения (3.19) относительно ω является электромеханическая характеристика (ЭМХ) ДПТ:

показывающая зависимость частоты вращения ω ДПТ от тока якоря I_Я.

Если ДПТ не нагружен (работает вхолостую), то ток якоря I_Я нулевой, а частота вращения ω называется частотой ω₀ холостого хода, которая согласно (3.21) равна

показывающая зависимость частоты вращения ω ДПТ от вращающего момента М.

ЭМХ и МХ, определяемые выражениями (3.21) и (3.23), являются прямыми линиями (рис.3.13,б,в).

Если напряжение питания U схемы номинальное U_ном и ОВ и якорь подключены к питанию напрямую без дополнительных сопротивлений R_ДВ и R_ДЯ, то ЭМХ и МХ называются естественными (графики 1 на рис.3.13,б,в), а частота холостого хода ω_0Е называется естественной. Коэффициенты наклона естественных ЭМХ и МХ согласно (3.21) и (3.23) равны

Если напряжение питания U схемы номинальное U_ном и ОВ и якорь подключены к питанию через дополнительные сопротивления R_ДВ и R_ДЯ, то ЭМХ и МХ называются искусственными (графики 2 и 3 на рис.3.13,б,в). Частота холостого хода при номинальном возбуждении (сопротивление R_ДВ выведено), то частота холостого хода равна естественной ω_0Е (графики 2 на рис.3.13,б,в). При введении сопротивления R_ДВ ток возбуждения I_B в соответствии с (3.17) понижается, снижается коэффициент k_OB и коэффициент магнитного потока с_Ф (3.20). Частота холостого хода ω₀ становится больше ω_0Е (3.22) и называется она частотой холостого хода ω_0И искусственной характеристики (графики 3 на рис.3.13,б,в).

Коэффициенты наклона естественных ЭМХ и МХ согласно (3.24) увеличиваются как при введении сопротивления R_ДЯ (числители формул (3.24), так и при введении R_ДВ, так как ослабляется магнитный поток и уменьшается коэффициент потока с_Ф (3.20).

Ток якоря I_Я в момент пуска, определяемый из ЭМХ при частоте ω=0, называется пусковым I_ЯП. При прямом пуске ДПТ на естественной характеристике (без сопротивления R_ДЯ), пусковой ток I_ЯП в 5. 40 раз превышает номинальный ток якоря I_Я.НОМ. Этот ток намного превышает допустимый, равный (2. 3)I_Я.НОМ, по условиям возникновения опасного искрения щеточного узла якоря.

Вопросы и задания

1. Составьте уравнения цепи обмотки возбуждения и якоря.

2. Выведите выражения ЭМХ и МХ ДПТ.

3. Какие характеристики ДПТ называются естественными, а какие искусственными?

4. Как влияют дополнительные сопротивления R_ДЯ и R_ДВ на наклон и частоту холостого хода ЭМХ и МХ?

3.9 Двигатель последовательного возбуждения

и его рабочие характеристики

В двигателе с последовательным возбуждением (сериесном ДПТ) основной магнитный поток создается обмоткой возбуждения, которая включена последовательно с якорем и по которой протекает ток якоря I_Я (рис.3.14,а).

Уравнение цепи якоря сериесного ДПТ, выражения э.д.с. вращения е, момента М а также ЭМХ и МХ ДПТ по структуре такие же, как у шунтового:

Для конкретизации зависимостей

и, в последующем, формы ЭМХ и МХ нужно учесть нелинейный вид кривой намагничивания магнитопровода основных полюсов (рис.3.14,б). Для тока I_Я якоря в интервале от нуля до (0,7. 0,9)I_Я.ном коэффициент потока с_Ф практически прямо пропорционален току I_Я, т.е. с_Ф=k_ФI_Я. Для тока I_Я якоря в интервале (1,0. 1,1)I_Я.ном коэффициент потока с_Ф практически не меняется, достигнув своего насыщенного значения с_Ф.нас.

Расчет и построение ЭМХ и МХ для линейного участка кривой намагничивания стали магнитопровода ДПТ.

Для линейного участка зависимости (3.26) принимают вид:

Подставляем (3.27) в выражения ЭМХ и МХ, представленные в (3.25), и получаем:

Графиками ЭМХ и МХ являются гиперболы (рис.3.14,в)

Расчет и построение ЭМХ и МХ для насыщенного участка кривой намагничивания стали магнитопровода ДПТ.

Для насыщенного участка зависимости (3.26) принимают вид:

Подставляем (3.29) в выражения ЭМХ и МХ, представленные в (3.25), и получаем:

Графиками ЭМХ и МХ являются прямые линии (рис.3.14,в)

Анализ ЭМХ и МХ сериесного ДПТ.

В диапазоне допустимой нагрузки длительного режима работы сериесного ДПТ механические характеристики являются мягкими и имеют гиперболический вид. Это приводит к значительному изменению частоты вращения ω при изменении механической нагрузки на валу. При малых нагрузках частота вращения ω резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение – двигатель идет в «разнос». Поэтому такие ДПТ нельзя применять для привода механизмов, которые могут работать без нагрузки. Обычно минимально допустимая нагрузка составляет (0,2. 0,25)М_ном.

Несмотря на указанный недостаток сериесные ДПТ для получения некоторого значения момента М потребляют ток I_Я меньший, чем в тех же условиях потребляет шунтовой ДПТ. Например, если вращающий момент М нужно увеличить в 4 раза, то у шунтового ДПТ ток I_Я должен быть увеличен также в 4 раза, а у сериесного ДПТ ток I_Я в соответствии с (3.27) увеличится только в 2 раза. За это свойство значительного увеличения момента при умеренном увеличении потребления тока сериесные ДПТ называют тяговыми двигателями.

Вопросы и задания

1. Приведите выражения ЭМХ и МХ в общем виде.

2. Приведите выражения ЭМХ и МХ для линейного участка кривой намагничивания стали магнитопровода.

3. Приведите выражения ЭМХ и МХ для насыщенного участка кривой намагничивания стали магнитопровода.

4. Какие недостатки и достоинства имеют сериесные ДПТ?

3.10 Двигатель смешанного возбуждения

и его рабочие характеристики

Двигатель смешанного возбуждения, называемый также компаундным ДПТ, содержит шунтовую и сериесную обмотки возбуждения (рис.3.15,а). Совместным действием обоих обмоток возбуждения создается суммарный поток

а) Ф_ОВ=Ф_Ш±Ф_С – для ДПТ параллельно-последовательного возбуждения, если поток Ф_Ш шунтовой обмотки больше потока Ф_С сериесной (Ф_Ш>Ф_С);

б) Ф_ОВ=Ф_С+Ф_Ш – для ДПТ последовательно-параллельного возбуждения, если поток Ф_С сериесной обмотки больше потока Ф_Ш шунтовой (Ф_С>Ф_Ш).

У первого типа ДПТ возможно как согласное включение шунтовой и сериесной обмоток (потоки Ф_Ш и Ф_С складываются), так и встречное (потоки Ф_Ш и Ф_С вычитаются). У второго типа ДПТ применяется только согласное включение шунтовой и сериесной обмоток (потоки Ф_С и Ф_Ш складываются).

ДПТ параллельно-последовательного возбуждения.

Механическая характеристика, созданная основной, шунтовой обмоткой является прямой линией 2 (рис.3.15,б). При согласном включении шунтовой и сериесной обмоток (Ф_ОВ=Ф_Ш+Ф_С ) суммарный магнитный поток Ф_ОВ превышает поток шунтовой Ф_Ш. Так как в выражения МХ магнитный поток входит в знаменатель обоих слагаемых (формулы (3.23) и (3.25)), то результирующая МХ 3 проходит ниже характеристики 2. Кроме того МХ сериесной обмотки является мягкой и, поэтому, результирующая МХ 3 также мягче МХ 2. При встпечном включении шунтовой и сериесной обмоток (Ф_ОВ=Ф_Ш-Ф_С ) суммарный магнитный поток Ф_ОВ меньше потока шунтового Ф_Ш. Так как в выражения МХ магнитный поток входит в знаменатель обоих слагаемых (формулы (3.23) и (3.25)), то результирующая МХ 1 проходит выше характеристики 2. Кроме того МХ сериесной обмотки является мягкой и вычитается из МХ шунтовой обмотки, поэтому результирующая МХ 1 также жестче МХ 2.

Согласное включение ОВШ и ОВС применяют для повышения нагрузочной способности ДТ при незначительном увеличении тока якоря. Встречное включение ОВШ и ОВС применяют для увеличения жесткости МХ, что позволяет практически стабилизировать частоту вращения ДПТ при изменении нагрузки в широких пределах изменения механической нагрузки двигателя.

ДПТ последовательно-параллельного возбуждения.

Механическая характеристика, созданная основной, сериесной обмоткой является гиперболой 4 (рис.3.15,в). Согласное включение шунтовой обмотки позволяет исключить снижение результирующего потока Ф_ОВ до нуля при значительной разгрузке ДПТ по моменту. Это позволяет избежать «разноса» ДПТ (МХ 5 на рис.3.15,в).

Компаундные ДПТ с МХ типа 5 применяют преимуществе в электротранспорте, как обладающие наилучшими тяговыми свойствами.

Вопросы и задания

1. Какие способы включения шунтовой и сериесной обмоток применяют в компаундном ДПТ?

2. Поясните особенности МХ компаундного ДПТ с параллельно-последовательным возбуждением.

3. Поясните особенности МХ компаундного ДПТ с последовательно-параллельным возбуждением.

3.11 Способы пуска ДПТ

Существуют три основных способа пуска ДПТ:

2. Разгон с пусковым сопротивлением в цепи якоря.

3. Разгон с плавным повышением якорного напряжения.

Критериями выбора способа пуска являются:

— ограничение тока во время разгона ДПТ на уровне, который является безопасным для щеточно-коллекторного узла;

— получение большого вращающего момента на всем интервале разгона.

Ограничение тока снижает искрение щеток и коллектора, чем продлевается ресурс эксплуатации ДПТ. Повышение вращающего момента ДПТ сокращает время разгона ДПТ с неподвижного состояния до номинальной частоты вращения, что сокращает время, в течение ток ДПТ был выше номинальным и, следовательно, уменьшает разогрев обмоток и наиболее чувствительной его части – изоляции обмоток. Этим также продлевается ресурс эксплуатации ДПТ.

Схема прямого пуска приведена на рис.3.16.

Предварительно подключается к питающему напряжению обмотка возбуждения ОВ. По истечении некоторого времени, когда ток в ОВ установится, замыкают ключ SA. На якорь напрямую подается полное напряжение питания U_Я. Пусковой ток достигает максимального для ДПТ значения

Этот способ наиболее простой, но проходит при большом токе якоря. Прямой пуск применяется для маломощных ДПТ с мощностью в несколько сотен ватт, у которых пусковой ток не превышает 15. 20 А. Такой ток ниже сварочного тока (от 40 А и выше). Поэтому, коллектор хотя и разогреваются во разгона ДПТ, но не оплавляется.

Разгон с пусковым сопротивлением в цепи якоря.

Схема пуска приведена на рис.3.17,а.

— момент М_П1 – максимальный момент в процессе разгона ДПТ, который принимают равным с_ФI_Я.мах, где I_Я.мах – максимально допустимый ток якоря ДПТ (каталожная величина);

— момент М_П2 – минимальный момент в процессе разгона ДПТ, который принимают равным (1,1. 1,3)I_Я.ном, где I_Я.ном – номинальный ток якоря ДПТ (каталожная величина).

Процесс разгона заключается в последовательном выведении ступеней пусковых сопротивлений R_Пx путем шунтирования их контактами Кх:

1). Разгон по первой искусственной механической характеристике М_И1 (рис.3.17,б), когда все контакты К1, К2 и К3 разомкнуты. МХ М_И1, описывается выражением

Наклон МХ максимальный. Момент в точке 1 равен моменту М_П1. Так как Момент ДПТ превышает момент сопротивления нагрузки М_С, то двигатель разгоняется. По достижении точки 2, на которой момент ДПТ равен моменту М_П2, замыкается контакт К1, шунтирующий сопротивление R_П1. Следует скачок на вторую искусственную МХ М_И2 при постоянной частоте вращения ω₂.

2). Разгон по второй искусственной механической характеристике М_И2 (рис.3.17,б), когда контакты К2 и К3 разомкнуты. МХ М_И2, описывается выражением

Далее разгон от точки 3 до точки 4, шунтирование R_П2, скачок на третью искусственную характеристику при частоте вращения ω₄.

3). Разгон по третей искусственной механической характеристике М_И3 (рис.3.17,б), когда только контакт К3 разомкнут. МХ М_И3, описывается выражением

Далее разгон от точки 5 до точки 6, шунтирование R_П3, скачок на естественную характеристику при частоте вращения ω₆.

4) Разгон по естественной механической характеристике М_Е (рис.3.17,б), когда все контакты замкнуты. МХ М_Е, описывается выражением

Далее разгон от точки 7 до точки 8, в которой наступает равенство вращающего момента М_Е ДПТ моменту сопротивления М_С нагрузки.

Как следует из построений, в процессе разгона вращающий момент ДПТ не превышал М_П1 и, следовательно, ток якоря ДПТ был ограничен максимально допустимым I_Я.мах.

Разгон с плавным повышением якорного напряжения.

Схемы пуска приведены на рис.3.18.

Для маломощных (до 1 кВт) ДПТ применяют реостатное регулирование напряжения U_Я на якоре. С помощью регулировочного сопротивления R_рег плавно повышают напряжение U_Я с контролем тока якоря I_Я, чтобы он не превысил I_Я.тах. Недостатками схемы являются ограниченность тока через реостат и большие потери мощности в нем.

Для любых по мощности ДПТ применяют тиристорное регулирование напряжения U_Я с помощью вентильного комплекта ВК1. К нерегулируемому вентильному комплекту ВК2 подключена обмотка возбуждения ДПТ.

Вопросы и задания

1. Какие существуют способы пуска ДПТ и каковы критерии качества процесса пуска?

2. Поясните способ прямого пуска ДПТ. В чем его недостатки?

3. Поясните способ реостатного пуска ДПТ. В чем его достоинства и недостатки?

4. Поясните способ пуска ДПТ с регулируемым якорным напряжением. В чем его достоинства и недостатки?

3.12 Способы регулирования частоты вращения ДПТ

Существуют три основных способа регулирования частоты вращения ДПТ:

1. Реостатное с регулировочным сопротивлением в цепи якоря.

2. Якорное с регулируемым источником напряжения на якоре.

3. Полевое с регулируемым напряжением на обмотке возбуждения.

Критериями выбора способа регулирования являются:

— диапазон и непрерывность регулирования частоты вращения;

— наклон (жесткость) МХ;

— к.п.д. схемы регулирования и потери мощности.

Схема реостатного регулирования в силовой части полностью совпадает с приведенной на рис.3.17 схемой разгона ДПТ с пусковым сопротивлением.

С помощью ступенчато изменяющегося сопротивления в цепи якоря создаются искусственные характеристик, например, как на рис.3.17,а, три МХ М_И1, М_И2 и М_И3. Существует также естественная МХ М_Е. Для оценки регулирующего эффекта на плоскость МХ (рис.3.17,б) нужно нанести МХ нагрузки – график М_С. Частоты вращения в установившихся режимах определяется точками пересечения МХ нагрузки и ДПТ. Это точки 8, 9, 10 и 11.

Достоинством реостатного регулирования является отсутствие дополнительных затрат на регулировочное оборудование, так как пусковые сопротивления можно также использовать в качестве регулировочных.

Недостатки реостатного регулирования:

— малый диапазон регулирования частоты вращения – отношение максимальной частоты ω₈ к минимальной ω₁₁ не превышает трех;

— ступенчатость регулирования, так как набор достижимых частот определяется количеством точек пресечения (8, 9, 10 и 11) МХ нагрузки и конечного числа МХ ДПТ;

— мягкость искусственных МХ, приводящая к тому, что при изменении момента сопротивления нагрузки М_С (на рис.3.17,б пунктирная линия М_С) изменяются положения точек пересечения МХ и, следовательно, частота вращения ДПТ;

— низким к.п.д., так как теряется большая мощность на нагрев регулировочных сопротивлений.

Схема якорного регулирования в силовой части полностью совпадает с приведенной на рис.3.18 схемой разгона ДПТ с использованием регулируемого напряжения якоря.

Механические характеристики ДПТ описываются выражением

При якорном регулировании изменяется частота вращения холостого хода ω₀, которая прямо пропорциональна напряжению U_Я, а наклон МХ остается неизменным (рис.3.19,а). Для якорного регулирования частоты вращения ДПТ применяют либо изображенную на рис.3.18,б схему тиристорного регулирования напряжения, либо схему Г-Д (рис.3.19,б), в которой в качестве регулируемого источника напряжения выступает ГПТ.

Достоинства якорного регулирования:

— большой диапазон регулирования частот – 100;

— непрерывность регулирования, так как переход между МХ осуществляется плавным изменением напряжения U_Я;

— высокая жесткость МХ при любой частоте, совпадающая с жесткостью естественной МХ, что обеспечивает практическую независимость частоты вращения ДПТ от его нагрузки, например, частоты в ращения в точках 1 и 1′ практически одни и те же.

Недостатком якорного регулирования является необходимость применения регулируемого источника питания (тиристорного выпрямителя или ГПТ).

Схема полевого регулирования приведена на рис.3.20,а.

Механические характеристики ДПТ описываются выражением (3.32).

При полевом регулировании реально возможно только понижение напряжения U_В на ОВ, что ведет к уменьшению с_Ф. Поэтому частота вращения холостого хода ω₀, которая обратно пропорциональна коэффициенту потока с_Ф, возрастает, а наклон МХ увеличивается, причем более интенсивно, так как в знаменатель второй дроби коэффициент с_Ф во второй степени. Механические характеристики ДПТ, нагрузки и получаемые частоты вращения показаны на рис.3.20,б. Для малозагруженных ДПТ (пунктирная МХ нагрузки М_С) или для ДПТ большой мощности частота вращения регулируется вверх от номинальной, а для маломощных или сильно загруженных ДПТ (сплошная МХ М_С) частота вращения понижается.

Достоинства полевого регулирования:

— возможность увеличения частоты вращения сверх номинальной;

— непрерывность регулирования, так как переход между МХ осуществляется плавным изменением напряжения U_В;

— высокий к.п.д., так как в якорной цепи есть только сопротивление только самой обмотки и никаких дополнительных сопротивлений.

Недостатки реостатного регулирования:

— малый диапазон регулирования частоты вращения вверх, ограниченный примерно полуторакратным значением;

— мягкость искусственных МХ, приводящая к тому, что при изменении момента сопротивления нагрузки М_С изменяются положения точек пересечения МХ и, следовательно, частота вращения ДПТ.

Вопросы и задания

1. Какие существуют способы частоты вращения ДПТ и каковы критерии качества процесса регулирования?

2. Поясните способ реостатного регулирования частоты вращения ДПТ. В чем его достоинства и недостатки?

Источник