Электромагнитная схема машин постоянного тока

Торможение двигателей постоянного тока

Виды электрического торможения. Электрические двигатели, как правило, используют не только для вращения механизмов, но и для их торможения. Электрическое торможение позволяет быстро остановить механизм или уменьшить его частоту вращения без применения механических тормозов.

Различают три вида электрического торможения двигателей постоянного тока: 1) рекуперативное торможение — генераторное торможение с отдачей электрической энергии в сеть; 2) динамическое или реостатное торможение — генераторное торможение с гашением выработанной энергии в реостате, подключенном к обмотке якоря; 3) электромагнитное торможение — торможение противовключением.

Во всех указанных режимах электромагнитный момент М воздействует на якорь в направлении, противоположном и, т. е. является тормозным.

Рекуперативное торможение. Двигатель с параллельным в озбуждением переходит в режим рекуперативного торможения при увеличении его частоты вращения и выше п0 = U/ceФ. В этом случае ЭДС машины становится больше напряжения сети и ток согласно (8.80) изменяет свое направление, т. е. двигатель переходит в генераторный режим. В этом режиме машина создает тормозной момент, а выработанная электрическая энергия отдается в сеть и может быть полезно использована.

В машине с параллельным возбуждением (рис. 8.71, а) механические характеристики генераторного режима являются продолжением механических характеристик двигательного режима в область отрицательных моментов.

Рис. 8.71. Схема и механические характеристики машины постоянного тока в двигательном и генераторном режимах.

Динамическое торможение. При этом виде торможения двигателя с параллельным возбуждением обмотку якоря отключают от сети и присоединяют к ней реостат Rдо6 (рис. 8.72, а) При этом машина работает как генератор, создает тормозной момент, но выработанная электрическая энергия бесполезно гасится в реостате. Регулирование тока Ia = Е/(ΣRa + Rдоб), т. е. тормозного момента М, осуществляют путем изменения сопротивления Rдоб, подключенного к обмотке якоря.

Рис. 8.72. Схема и механические характеристики двигателя с параллельным возбуждением в режиме динамического торможения.

Электромагнитное торможение. В этом режиме изменяют направление электромагнитного момента М, сохраняя неизменным направление тока из сети, т. е. момент делают тормозным. Последнее осуществляют так же, как и при изменении направления вращения двигателя — путем переключения проводов, подводящих ток к обмотке якоря (рис. 8.76, а) или к обмотке возбуждения. Чтобы ограничить значение тока в этом режиме, в цепь обмотки якоря вводят добавочное сопротивление Rдоб. Регулирование тока Ia = (U + Е)/(ΣRa + Rдоб), т. е. тормозного момента М, осуществляют путем изменения сопротивления Rдоб или ЭДС Е (тока возбуждения Iв). Механические характеристики в этом режиме для двигателей с параллельным и последовательным возбуждением показаны на рис. 8.76, б и в.

Рис.8.76. схема и механические характеристики двигателей в режиме электромагнитного торможения.

21.Универсальные коллекторные двигатели — это электродвигатели малой мощности последовательного возбуждения с секционированной обмоткой возбуждения, благодаря чему они могут работать как на постоянном, так и на переменном стандартных напряжениях примерно с одинаковыми свойствами и характеристиками. Такие электродвигатели используют для привода маломощных быстроходных устройств и многих бытовых приборов. Они допускают простое, широкое и плавное регулирование скорости.

По своему устройству эти двигатели отличаются от двигателей постоянного тока общего применения конструкцией статора, магнитную систему которого собирают из топких изолированных друг от друга листов электротехнической стали с выступающими полюсами, на которых размещают по две секции обмотки возбуждения. Эти секции соединяют последовательно с якорем и располагают по обе стороны от его выводов, что снижает радиопомехи от ценообразования на коллекторе под щетками, которое при питании двигателя от сети переменного напряжения особенно усиливается из-за существенного ухудшения условий коммутации.

Источник

БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Бесколлекторным называют двигатель, ток в статорных обмотках которого коммутируется особыми электронными устройствами («драйверами» или «инверторами»). Такой коммутатор состоит из набора полупроводниковых элементов, создающих вращающее поле путем подачи тока в соответствующую обмотку.

Скорость вращения вала у агрегатов этого типа значительно выше, чем у коллекторных с постоянными магнитами. Это позволяет увеличить удельную мощность двигателя и повысить его КПД.

Устройство и принцип действия.

Любой бесколлекторный двигатель состоит из следующих основных узлов:

  • статор с обмотками;
  • вращающийся ротор с постоянными магнитами;
  • контроллер, обеспечивающий формирование в статоре вращающегося э/м поля.

На статоре бесколлекторного двигателя располагаются 3 обмотки, которые, как и у электродвигателей переменного тока называются фазными.

Допустимость такого названия объясняется следующим. Несмотря на того, что эти агрегаты работают от источника постоянного напряжения (аккумуляторов) – управляющий коммутацией обмоток контроллер включает ток поочередно.

Это приводит к формированию в них переменной составляющей в виде прямоугольных импульсов. Они и создают видимость трехфазного вращающегося э/м поля, характерного для коллекторных электродвигателей синхронного или асинхронного типа.

Особенности конструкции.

В зависимости от того, по какой схеме включаются обмотки статора («звезда» или «треугольник») система содержит соответственно четыре или три рабочих шины. Катушки наматываются в пазах между зубьями сердечника статора, распределяясь равномерно по фазам.

В статор нередко интегрируются датчики Холла, фиксирующие текущее положение ротора.

С их помощью удается передавать информацию контроллеру, который в каждый момент «знает», в какой точке находится ротор и подает питающий импульс на нужную обмотку. Такая возможность повышает эффективность функционирования двигателя с максимально возможной отдачей (мощностью).

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

Mэм = Mв — Mтр — Mс,(7а)

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

Mэм = Mв + Mтр + Mс,(7б)

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

Pэм = Pэм × Ω,(8)

где

Ω = 2 × π × n,(9)

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

Тогда получим

Pэм = 2 × B × l × Dа × Iа × π × n = 2 × B × l × v × Iа

или на основании выражения (1)

Pэм = Eа × Iа.(10)

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

Pа= Eа × Iа.(11)

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

Uа × Iа = Eа × Iа – Iа2 × rа(12)

и для двигателя

Uа × Iа = Eа × Iа + Iа2 × rа.(13)

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.

Двигатель постоянного тока. Схемы соединения и характеристики ДПТ

Двигатель постоянного тока нашел широкое применение в различных областях деятельности человека. Начиная от использования тягового привода, применяемого в трамваях и троллейбусах, заканчивая приводом прокатных станов и подъемных механизмов, где требуется поддержание высокой точности скорости вращения.

Основные положительные особенности, которые отличают ДПТ от асинхронного двигателя:

— гибкие пусковые и регулировочные характеристики;
— двухзонное регулирование, которое позволяет достигать скорости вращения более 3000 об/мин.

Отрицательные черты:

— сложность в изготовлении и высокая стоимость;
— в процессе работы необходимо постоянное обслуживание, так как коллектор и токосъемные щетки имеют небольшой ресурс работы.

Двигатель постоянного тока применяют только тогда, когда применение двигателя переменного тока невозможно или крайне нецелесообразно. В среднем, на каждые 70 двигателей переменного тока приходится всего лишь 1 ДПТ.

Конструкция ДПТ

Двигатель постоянного тока состоит из:

— индуктора (статора);
— якоря (ротора);
— коллектора;
— токосъемных щеток;
— конструктивных элементов.

Якорь и индуктор разделены между собой воздушным зазором. Индуктор представляет из себя станину, которая служит для того, чтобы закрепить основные и добавочные полюса магнитной системы двигателя. На основных полюсах располагаются обмотки возбуждения, а на добавочных – специальные обмотки, которые способствуют улучшению коммутации.

Коллектор подводит постоянный ток к рабочей обмотке, которая уложена в пазы ротора. Коллектор имеет вид цилиндра и состоит из пластин, изолированных друг от друга, он насажен на вал двигателя. Щетки служат для съема тока с коллектора, они крепятся в щеткодержателях для обеспечения правильного положения и надежного нажатия на поверхность коллектора.

Рисунок 1 – Конструкция двигателя постоянного тока

Двигатели постоянного тока классифицируют по магнитной системе статора:

1) ДПТ с постоянными магнитами;

2) ДПТ с электромагнитами:

— ДПТ с независимым возбуждением;
ДПТ с последовательным возбуждением;
— ДПТ с параллельным возбуждением;
— ДПТ со смешанным возбуждением.

Рисунок 2 – Схемы подключения двигателя постоянного тока

Схема подключения обмоток статора существенно влияет на электрические и тяговые характеристики привода.

Пуск двигателя постоянного тока

Пуск двигателя постоянного тока производят с помощью пусковых реостатов, которые представляют собой активные сопротивления, подключенные к цепи якоря. Выполняют реостатный пуск по двум причинам:

— при необходимости плавного разгона электродвигателя;
— в начальный момент времени, пусковой ток Iп = U / Rя очень большой, что вызывает перегрев обмотки якоря (которая имеет малое сопротивление).
Только ДПТ мощностью до 1 кВт допускают к старту без пусковых реостатов, так называемый «прямой пуск».

Рисунок 3 – Реостатный пуск двигателя с 3 ступенями

В начале запуска к цепи ротора подключаются все сопротивления, и по мере увеличения скорости они ступенчато выводятся.

Регулирование скорости вращения

Частота вращения двигателя постоянного тока выражается формулой:

Это выражение так же называется электромеханической характеристикой ДПТ, в которой:

U – питающее напряжение;
Iя – ток в якорной обмотке;
Rя – сопротивление якорной цепи;
k – конструктивный коэффициент двигателя;
Ф – магнитный поток двигателя.

Формула момента двигателя:

Подставив в формулу электромеханической характеристики,получим:

Таким образом, исходя из приведенных формул, сделаем вывод, что скорость вращения ДПТ можно регулировать, изменяя сопротивление якоря, питающее напряжение и магнитный поток.

Современное применение и перспективы

Существует немало устройств, для которых увеличение времени безотказной работы имеет важнейшее значение. В подобном оборудовании применение БДКП всегда оправданно, несмотря на их сравнительно высокую стоимость. Это могут быть водяные и топливные насосы, турбины охлаждения кондиционеров и двигателей и т. д. Бесщёточные моторы используются во многих моделях электрических транспортных средств

В настоящее время на бесколлекторные двигатели всерьёз обратила внимание автомобильная промышленность

БДКП идеально подходят для малых приводов, работающих в сложных условиях или с высокой точностью: питатели и ленточные конвейеры, промышленных роботы, системы позиционирования. Существуют сферы, в которых бесколлекторные двигатели доминируют безальтернативно: жёсткие диски, насосы, бесшумные вентиляторы, мелкая бытовая техника, CD/DVD приводы. Малый вес и высокая выходная мощность сделали БДКП также и основой для производства современных беспроводных ручных инструментов.

Принцип работы

Двигатели постоянного тока

На статоре находится индукторная обмотка (обмотка возбуждения), на которую подаётся постоянный ток — в результате создаётся постоянное магнитное поле (поле возбуждения). В двигателях с постоянными магнитами поле возбуждения создаётся постоянными магнитами.

В обмотку ротора (якорная обмотка) также подаётся постоянный ток, на который со стороны магнитного поля статора действует сила Ампера — создаётся вращающий момент, который поворачивает ротор на 90 электрических градусов, после чего щёточно-коллекторный узел коммутирует обмотки ротора – вращение продолжается.

По способу возбуждения двигатели постоянного тока делятся на четыре группы:

  • С независимым возбуждением — обмотка возбуждения питается от независимого источника
  • С параллельным возбуждением — обмотка возбуждения включается параллельно источнику питания обмотки якоря
  • С последовательным возбуждением — обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря
  • Со смешанным возбуждением — у двигателя есть две обмотки: параллельная и последовательная.

Пуск двигателя постоянного тока

При прямом пуске ток якоря может на порядок превышать номинальный, поэтому при пуске в цепь якоря вводится пусковое сопротивление пусковой реостат. Для плавного пуска реостат делают ступенчатым — в первый момент включаются все ступени (максимальное сопротивление), по мере разгона двигателя растёт противо-ЭДС, ток якоря уменьшается — ступени выключаются одна за другой.

Регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока

  • Скорость ниже номинальной регулируется напряжением на якоре (мощность при этом пропорциональна скорости, момент неизменен)
  • Скорость выше номинальной регулируется током обмотки возбуждения — чем слабее поле возбуждения, тем выше скорость (момент падает при постоянной мощности)

Регулирование питания якоря и обмотки возбуждения осуществляется с помощью тиристорных преобразователей (приводов постоянного тока).

Преимущества:

  • Практически линейные характеристики двигателя: механическая характеристика (зависимость частоты от момента)
  • регулировочная характеристика (зависимость частоты от напряжения якоря)

Просто регулировать частоту вращения в широких пределах
Большой пусковой момент
Компактный размер.

Недостатки:

  • Дополнительные расходы на профилактическое обслуживание коллекторно-щёточных узлов
  • Ограниченный срок службы из-за износа коллектора
  • Дороже асинхронных двигателей.

Конструкция щеточного аппарата

Для отвода тока от вращающегося коллектора и подвода к нему тока применяется щеточный аппарат, который состоит из щеток, щеткодержателей, щеточных пальцев, щеточной траверсы и токособирающих шин.

Одна из типичных конструкций щеткодержателя показана на рисунке 5. Щеткодержатели укрепляются на щеточных пальцах. На каждом щеточном пальце обычно помещают несколько или целый ряд щеткодержателей со щетками, которые работают параллельно. Щеточные пальцы, число которых обычно равно числу главных полюсов, крепятся к щеточной траверсе (рисунок 7)

Рисунок 6. Щеткодержатель со щеткой 1 – обойма щеткодержателя; 2 – щетка; 3 – нажимная пружина; 4 – токоведущий кабель; 5 – колодки для крепления к пальцу

Рисунок 7. Крепление щеточного пальца к траверсе 1 – палец; 2 – траверса; 3 – изоляция; 4 – токособирательная шина

и электрически изолируются от нее. Траверса крепится к неподвижной части машины: в машинах малой и средней мощности – к втулке подшипникового щита, а в крупных машинах – к станине. Обычно предусматривается возможность поворота траверсы для установки щеток в правильное положение. Полярности щеточных пальцев чередуются, и все пальцы одной полярности соединяются между собой сборными шинами. Шины с помощью отводов соединяются с выводными зажимами или с другими обмотками машины.

Коллектор и щеточный аппарат являются весьма ответственными узлами машины, от конструкции и качества изготовления которых в большой степени зависит бесперебойная работа машины и надежность электрического контакта между коллектором и щетками.

Классификация МПТ по способу питания обмоток индуктора и якоря

По данному признаку МПТ делятся на 4 вида.

С независимым возбуждением

Обмотки индуктора и якоря не имеют электрического соединения. У генераторов этого типа обмотку возбуждения питает сеть постоянного тока, аккумулятор или специально предназначенный для этого генератор — возбудитель. Мощность последнего — несколько сотых мощности основного генератора.

Область применения генераторов с независимым возбуждением:

  1. системы значительной мощности, где напряжение на обмотке возбуждения существенно отличается от генерируемого;
  2. системы регулирования скорости вращения двигателей, запитанных от генераторов.

У двигателей с независимым возбуждением запитана и якорная обмотка. В основном это также агрегаты большой мощности.

Независимость обмотки индуктора позволяет удобнее и экономичнее регулировать ток возбуждения. Еще одна особенность таких моторов — постоянство магнитного потока возбуждения при любой нагрузке на валу.

С параллельным возбуждением

Обмотки индуктора и якоря соединены в одну цепь параллельно друг другу. Генераторы этого типа обычно применяются для средних мощностей. При параллельном соединении генерируемое устройством напряжение подается на обмотку возбуждения. При соединении в одну цепь обмоток индуктора и якоря говорят о генераторе с самовозбуждением.

По своим характеристикам они идентичны моторам с независимым возбуждением и обладают следующими особенностями:

  • при изменении нагрузки частота вращения практически не трансформируется: замедление составляет не более 8% при переводе от холостого хода к номинальной нагрузке;
  • можно с минимальными потерями регулировать частоту вращения, причем в широких пределах — 2-кратно, а у специально сконструированных моторов и 6-кратно.

Индуктор вращающегося двигателя с параллельным возбуждением нельзя отсоединять от цепи якоря, даже если он уже отключен. Это приведет к наведению значительной ЭДС в обмотке возбуждения с последующим выходом мотора из строя. Находящийся рядом персонал может получить травму.

С последовательным возбуждением

Обмотки соединены в цепь последовательно друг другу. Через обмотку возбуждения течет ток якоря. Генераторы этого типа почти не применяются, поскольку процесс самовозбуждения происходит достаточно бурно и устройство не способно обеспечить необходимое большинству потребителей постоянство напряжения. Их используют только в специальных установках.

Схема последовательного возбуждения

Двигатели этого типа широко применяют в качестве тяговых (электровозы, троллейбусы, краны и пр.): по сравнению с аналогами параллельного возбуждения, при нагрузке они дают более высокий момент с одновременным уменьшением скорости вращения. Пусковой момент также высок.

Запуск двигателя с нагрузкой ниже 25% номинальной, а тем более на холостом ходу, недопустим: частота вращения окажется чересчур высокой, и агрегат выйдет из строя.

С параллельно-последовательным (смешанным) возбуждением

Существует два вида схемы:

  1. основная обмотка индуктора включена параллельно с якорной, вспомогательная — последовательно;
  2. основная обмотка индуктора включена последовательно с якорной, вспомогательная — параллельно.

Схемы систем возбуждения МПТ

Подключение параллельной обмотки до последовательной называют «коротким шунтом», за последовательной — «длинным шунтом». Генераторы этого типа применяются крайне редко.

Двигатели сочетают в себе достоинства аналогов с параллельным и последовательным возбуждением: способны работать на холостом ходу и при этом развивают значительное тяговое усилие. Но и они сегодня почти не применяются.

Устройство и принцип действия в режиме двигателя

В этом режиме ток якоря подается в его обмотку от питающей электросети при пуске. На пазовые проводники якоря с током, находящиеся под главными полюсами, действуют силы Ампера. Направление их определяется по правилу левой руки, которое иллюстрирует рисунок ниже. Их сумма создает вращающий электромагнитный момент якоря (в отличие от тормозящего в режиме генератора), и он приходит во вращение.

Но во вращающихся пазовых проводниках, как и в генераторном режиме, наводятся ЭДС, которые дают суммарную ЭДС обмотки якоря. Она действует встречно напряжению питающей сети, частично уравновешивая его. Так выглядит принцип действия машин постоянного тока при работе двигателя. При этом согласно закона сохранения энергии от питающей электросети двигателем отбирается столько электроэнергии, сколько требуется механической энергии для приведения в движение присоединенного механизма с учетом энергетических потерь (электрических и механических). Иначе говоря, чем сильнее нагружен двигатель механически, т. е. чем больше вес и момент инерции приводимых им в движение механизмов или чем больше момент сопротивления среды, препятствующий их движению, тем большее количество электроэнергии потребляется двигателем от сети.

Устройство и принцип действия в режиме двигателя

В этом режиме ток якоря подается в его обмотку от питающей электросети при пуске. На пазовые проводники якоря с током, находящиеся под главными полюсами, действуют силы Ампера. Направление их определяется по правилу левой руки, которое иллюстрирует рисунок ниже. Их сумма создает вращающий электромагнитный момент якоря (в отличие от тормозящего в режиме генератора), и он приходит во вращение.

Но во вращающихся пазовых проводниках, как и в генераторном режиме, наводятся ЭДС, которые дают суммарную ЭДС обмотки якоря. Она действует встречно напряжению питающей сети, частично уравновешивая его. Так выглядит принцип действия машин постоянного тока при работе двигателя. При этом согласно закона сохранения энергии от питающей электросети двигателем отбирается столько электроэнергии, сколько требуется механической энергии для приведения в движение присоединенного механизма с учетом энергетических потерь (электрических и механических). Иначе говоря, чем сильнее нагружен двигатель механически, т. е. чем больше вес и момент инерции приводимых им в движение механизмов или чем больше момент сопротивления среды, препятствующий их движению, тем большее количество электроэнергии потребляется двигателем от сети.

Устройство машины постоянного тока

ГПТ может использоваться как ДПТ без каких-либо конструктивных изменений. Конечно, промышленностью выпускаются машины, предназначенные для работы в качестве двигателей, и машины, являющиеся генераторами. Однако отличия между ними состоят в конструкции отдельных частей, и на этапе общего ознакомления могут быть проигнорированы. Следовательно, далее будем рассматривать устройство машины постоянного тока в общем, без привязки к режиму ее работы.

Ниже на рисунке показан поперечный разрез простой МПТ с двумя парами явно выраженных полюсов. Конструкция ее содержит две основные части: статор и якорь. Рассмотрим, из каких деталей они состоят.

Статор содержит станину, а также главные и находящиеся между ними дополнительные полюсы (на рисунке не показаны).

Станина – это внешняя конструктивная оболочка МПТ. Она бывает литой из чугуна (у машин старых конструкций) или сварной из толстого листа стали. Станина механически прочно скрепляет всю сборку МПТ. Кроме того, она служит магнитопроводом для магнитного потока, производимого главными полюсами.

Последние прикреплены к станине с помощью винтов или сварки. Основное их назначение – нести катушки обмотки возбуждения, намотанные на них и соединенные последовательно между собой таким образом, чтобы магнитная полярность полюсов чередовалась, т. е. после «северного» полюса следовал бы «южный» и т. д.

Полюсные наконечники (башмаки), являющиеся расширением главных полюсов, служат двум целям: для предотвращения соскальзывания катушек и для равномерного распределения поля возбуждения на большей части окружности воздушного зазора.

Якорь машины постоянного тока состоит из сердечника с обмоткой, втулки и вала. Сердечник – это стальной каркас цилиндрической формы, сложенный из тонких электрических листов стали, покрытых с обеих сторон электроизоляционным лаком. Это делается для предотвращения появления вихревых токов, стремящихся замкнуться в толще сердечника. В пазах его уложены секции петлевой или волновой обмотки якоря, коллектор машины постоянного тока и щетки. Обмотку якоря нужно присоединить к внешней электросети постоянного тока. Но нельзя непосредственно соединить выводы обмотки с сетевым вводом, потому что она вращается. Поэтому между сетью и обмоткой якоря установлен коммутатор-коллектор, представляющий собой множество изолированных друг от друга пластин из меди, образующих внешнюю цилиндрическую поверхность, разделенную изоляционными дорожками. Неподвижные контактные щетки скользят по ней, когда якорь с коллектором вращаются. Таким образом неподвижные щетки физически соприкасаются с вращающейся обмоткой якоря, а с их помощью уже можно выполнить подключение к внешней сети машины постоянного тока.

§3 Процессы преобразования энергии в машинах постоянного тока

П1 Энергетическая диаграмма генератора
постоянного тока

Нарисуем схему замещения
генератора постоянного тока в виде идеального источника постоянного напряжения
и резистора внутреннего  сопротивления (рисунок 27 а).

а                                                                      
б

Рисунок 27
Эквивалентная схема и энергетическая диаграмма генератора постоянного
тока

На рисунке стрелками показаны
условно положительные направление тока напряжения и ЭДС. При работе машины
постоянного тока в генераторном режиме истинные и условно положительные
направления этих величин совпадают. Поэтому в формуле мощности ток и напряжение
генератора положительны и мощность генератора тоже следует считать
положительной. В соответствии с законом Ома для участка  цепи с ЭДС
имеем:         

Умножим левую и правую части
равенства на ток

Или                               (1)

Мощность , стоящая в левой части
равенства (1),  называется электромагнитной
мощностью, передаваемой через зазор в якорь генератора постоянного тока . Она
больше электрической мощности , отдаваемой в сеть  на
величину электрических потерь  от протекания тока по
внутреннему  сопротивлению генератора. В свою очередь, электромагнитная
мощность генератора меньше подводимой к нему механической мощности  на величину механических потерь  в генераторе. Это иллюстрирует
энергетическая диаграмма генератора постоянного тока, изображенная на рисунке
27 б. (1)

П2 Энергетическая диаграмма двигателя постоянного
тока

Рисунок 27 а является 
эквивалентной схемой машины постоянного тока, поэтому пригоден  не только для
генераторного, но и  для двигательного режима работы. Однако, в двигательном
режиме  истинное направление тока противоположно ЭДС, и , значит, противоположно
своему  условно положительному направлению . Ток и напряжение в формуле
мощности имеют разные знаки , и мощность двигателя следует считать
отрицательной. В двигателе напряжение сети больше ЭДС, индуцируемой в обмотке
якоря двигателя, на величину падения напряжения в собственном сопротивлении.

Электрическая мощность,
получаемая из сети по модулю больше
электромагнитной мощности  , на величину омических
потерь в обмотках двигателя . Механическая
мощность, развиваемая двигателем  по модулю меньше
электромагнитной  мощности на величину механических потерь

Это иллюстрирует энергетическая
диаграмма, изображенная на рисунке 28.

Рис. 28 Энергетическая диаграмма
двигателя постоянного тока

П3 Электромагнитная мощность машины постоянного
тока

Таким образом, электромагнитная
мощность машины постоянного тока, независимо от режима работы машины
определяется, как произведение ЭДС, индуцируемой в якоре на ток якоря.

В генераторном режиме знаки тока
и ЭДС одинаковы и электромагнитная мощность положительна , в двигательном
режиме знаки тока и ЭДС различныи электромагнитная
мощность отрицательна. (3)

Выразив ЭДС якоря через
полезный магнитный поток и угловую частоту вращения ротора  , имеем:         (4)

П4 Электромагнитный момент машины постоянного
тока. Обратимость электрической машины.

В соответствии с соотношением
между вращающим моментом, угловой частотой вращения и мощностью  , определим электромагнитный момент машины
постоянного тока , как величину пропорциональную электромагнитной мощности и
обратно пропорциональной частоте вращения ротора

 (5)

При переходе машины постоянного
тока из генераторного в двигательный режим не меняется направление вращения, а
меняется только направление тока в якоре.  По этому, в соответствии со знаком
электромагнитной мощности, электромагнитный момент генератора будем считать
положительным, а электромагнитный момент двигателя отрицательным.

Вопросы для самоконтроля.

  1. Нарисуйте
    энергетическую диаграмму генератора постоянного тока. (1)
  2. Нарисуйте
    энергетическую диаграмму двигателя постоянного тока. (2)
  3. Как
    определяют знак электромагнитной мощности для генератора и двигателя
    постоянного тока? (3)
  4. Запишите
    формулу электромагнитной мощности машины постоянного тока. (4)
  5. Запишите
    формулу электромагнитного момента машины постоянного тока.

Электродвижущая сила и электромагнитный момент машины постоянного тока

Формула ЭДС машины. При вращении обмотки якоря в магнитном поле полюсов в проводниках обмотки, как указывалось, наводится ЭДС:

Среднее значение этой ЭДС за половину периода

где – среднее значение магнитной индукции в воздушном зазоре, определяемое по кривой (рис. 1.7); – магнитный поток одного полюса; и определены ранее. ЭДС машины, как было показано, равна ЭДС одной параллельной ветви, поэтому, если обмотка якоря имеет N проводников, ее ЭДС

где – число параллельных ветвей.

Учитывая, что

где – диаметр якоря; – частота вращения якоря, об/мин; – число полюсов, получаем:

Таким образом, ЭДС обмотки якоря пропорциональна частоте вращения якоря и магнитному потоку главных полюсов машины.

Постоянная для данной машины величина называется конструктивным коэффициентом ЭДС.

Формула электромагнитного момента машины. При протекании тока по обмотке якоря сила взаимодействия тока в проводнике с магнитным полем определяется по закону Ампера выражением

Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitterВКонтакте
Напишите комментарий

Adblock
detector