Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Машины постоянного тока состоят из двух основных частей (рис. 2.5):
1) из статора 1, предназначенного для создания магнитного поля;
2) из подвижной части или ротора 2, в котором происходит преобразование механической энергии в электрическую энергию, и наоборот.
Рис. 2.5
Неподвижная часть машины, или статор, предназначена для создания магнитного поля машины и одновременно для обеспечения механической прочности машины. Основная часть статора изготовлена из литой электротехнической стали и представляет собой полый барабан 1, предназначенный для формирования магнитного поля машины. Он называется магнитопроводом статора. Магнитопровод заключен между литыми фланцами, предназначенными для крепления подшипников, щеток и других элементов машины. На корпусе крепятся главные полюса машины 3 с расположенными на них катушками обмоток возбуждения 4.
В машинах постоянного тока большой мощности башмаки главных полюсов изготавливаются из мягкой электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью. Полюсы вместе с обмотками являются электромагнитами, предназначенными для создания магнитного поля электрической машины.
Якорь 2 представляет собой сплошной цилиндр, набранный из листов электротехнической стали, с пазами по образующей, предназначенными для укладки якорной обмотки. Конфигурация пазов может быть самой разнообразной и зависит от мощности и предназначения машины. На оси якоря крепится коллекторное устройство или коллектор 6.
Коллекторные пластины 6 изготавливаются из электролитической меди и имеют специальную форму, удобную для закрепления коллекторного устройства на оси. На одну из сторон коллекторных пластин распаяны концы секций якорной обмотки. Изолированные друг от друга и от оси якоря пластины образуют барабан с цилиндрической поверхностью.
Для улучшения конструкции и снижения себестоимости машины пазы иногда выполняются с таким расчетом, что в них могут быть уложены не две, а четыре, шесть и более активных сторон секций. В этом случае количество реальных пазов якоря в два, три, четыре раза меньше количества секций. Для исключения разночтения вводятся понятия реального паза и элементарного паза. Количество элементарных пазов всегда равно количеству секций и количеству коллекторных пластин. Количество реальных пазов может быть равно количеству элементарных пазов или в 2, 3, 4 и более раз меньше.
Важным элементом машины постоянного тока является обмотка якоря. Якорь может быть кольцевым или барабанным. Первая конструкция не нашла широкого распространения из-за неэффективности использования обмоточного провода якорной обмотки, поэтому обмотка якоря такой конструкции здесь не рассматривается.
Барабанный якорь представляет собой цилиндр, набранный из листов электротехнической стали. На поверхности цилиндра имеются пазы, в которые укладывается обмотка. Обмотки барабанных якорей выполняются двухслойными или многослойными, т. е. в одном пазу располагаются две и более активных сторон секций.
Рис. 2.6
Секцией называют катушку, состоящую из витков изолированного провода, подключаемую к двум коллекторным пластинам. Общий вид секции представлен на рис. 2.6. Стороны ab и cd секции укладываются в пазы. Секции имеют две активные стороны (ab и dc), пассивные соединительные стороны, которые не участвуют в процессе преобразования энергии, и выводы или концы секции, роль которых заключается в подсоединении секций к пластинам коллектора. Геометрические размеры секций определяются размерами якоря, схемой соединения секций между собой и расположением коллектора на оси якоря. Технология изготовления секций достаточно проста для машин малой мощности и усложняется с увеличением мощности машины, что связано с необходимостью использования проводников большого сечения.
В большей части электрических машин постоянного тока используются следующие типы якорных обмоток:
а) простая петлевая обмотка;
б) простая волновая обмотка;
в) сложная петлевая обмотка;
г) сложная волновая обмотка.
Существуют и более сложные конструкции якорных обмоток машин постоянного тока.
Отличительным признаком петлевой обмотки является то, что выводы одной и той же секции присоединяются к соседним коллекторным пластинам. Первые активные стороны соседних секций располагаются в соседних элементарных пазах, поэтому полный шаг обмотки равен единице, .
Согласно предыдущим рассуждениям активные стороны секции должны быть удалены друг от друга на расстояние, равное или близкое полюсному делению, поэтому первый частичный шаг может быть определен из формулы
,
где K – число элементарных пазов;
b – дробное или целое число, выбранное таким образом, чтобы число было бы всегда целым;
p – число пар полюсов машины.
При использовании знака плюс получают обмотку с удлиненным первым частичным шагом, при b, равным нулю, получают обмотку с нормальным шагом и при знаке минус с укороченным шагом. Наибольшее распространение получили обмотки с нормальным и укороченным шагом, что объясняется технологическими соображениями.
Шаг по коллектору или полный шаг петлевой обмотки будет равен , тогда как .
Если , то получают правообегающую или правоходовую (рис. 2.10, а) обмотку, если , то получают левообегающую или левоходовую обмотку (рис. 2.10, б).
а б
Рис. 2.10
Отличие обмоток заключается в том, что последующая секция правоходовой обмотки находится справа от предыдущей секции, а у левоходовой обмотки она находится слева от предыдущей. Первый тип обмотки называют еще нескрещенной обмоткой. Второй тип петлевой обмотки называют левоходовой или скрещенной обмоткой.
Развернутая схема нескрещенной простой петлевой обмотки якоря четырехполюсной машины, имеющей 14 коллекторных пластин, 14 реальных и элементарных пазов представлена на рис. 2.11.
Рис. 2.11
Число элементарных пазов , число пар полюсов . Первый частичный шаг обмотки . Полный шаг обмотки . Второй частичный шаг обмотки . Шаг по коллектору равен полному шагу .
Для упрощения начертания схемы укладки обмоток машин секции представляются одновитковыми.
В соответствии со схемой укладки обмотки активные стороны первой секции укладываются в первый и пятый пазы якоря. Выводы первой секции подключаются к первой и второй коллекторным пластинам. Таким образом, данная обмотка является правоходовой. Активные секции второй обмотки укладываются во второй и шестой пазы якоря и подключаются ко второй и третьей пластинам. Последующие секции укладываются аналогично. Последняя секция уложена в четырнадцатый и четвертой пазы и подсоединена к четырнадцатой и первой пластинам. Полученная обмотка представляет собой последовательное замкнутое соединение четырнадцати секций, места соединения которых распаяны на коллекторные пластины.
Так как число пар полюсов равно двум, то количество щеток равно четырем. Они должны располагаться симметрично по коллектору. Если каждая секция подключается к коллекторным пластинам, интервал между которыми находится на оси симметрии секции, то щеткодержатель машины, работающей в режиме холостого хода, должен быть расположен так, чтобы щетки находились на оси главных полюсов машины (см. рис. 2.11).
Электрическая схема обмотки якоря рассмотренной выше машины представлена на рис. 2.12.
Рис. 2.12
В этой машине щетки попарно соединены между собой и образуют четыре параллельные ветви обмотки. При этом шестая и тринадцатая секции закорочены щетками. Число параллельных ветвей простой петлевой обмотки всегда равно количеству полюсов.
В двухполюсной машине петлевая и волновая обмотки ничем не отличаются, поэтому о волновой обмотке можно говорить только в том случае, если число пар полюсов машины больше единицы. В простой волновой обмотке последовательно соединяются секции, расположенные под соседними парами полюсов.
На рис. 2.13 приведена схема волновой обмотки якоря четырехполюсной машины. Для того, чтобы обойти якорь этой машины один раз, необходимо соединить между собой две секции.
Рис. 2.13
После первого обхода по пазам якоря мы должны подойти к коллекторной пластине, расположенной рядом с исходной пластиной, после чего можно начать следующий обход якоря. Это необходимо для того, чтобы после первого обхода обмотка не стала короткозамкнутой. Последнее возможно тогда, когда количество элементарных пазов и количество коллекторных пластин будут нечетным числом.
Если при заводском изготовлении машина была рассчитана на использование волновой обмотки, то количество элементарных пазов машины должно быть кратно количеству полюсов плюс или минус один паз. Количество коллекторных пластин всегда равно количеству элементарных пазов. Первая активная сторона секции, уложенной в шестой паз, подключается к шестой коллекторной пластине (сплошная линия). Другая активная сторона этой секции уложена в десятый паз и отпаяна на четырнадцатую коллекторную пластину. Следующая секция одной стороной подключена к четырнадцатой пластине, а другим выводом подключена к седьмой коллекторной пластине. Таким образом, после укладки двух секций мы совершили один обход вокруг якоря. При этом мы пришли на пластину, расположенную справа от исходной шестой пластины. На основании этого можно сделать вывод о том, что данная обмотка является правоходовой.
За один обход вокруг якоря, считая от первой активной стороны первой секции, мы перемещаемся на пазов. Если общее количество пазов равно , то за один обход по поверхности якоря мы приходим на коллекторную пластину, расположенную рядом с той, с которой начинался обход, но за ней по направлению обхода. Если общее количество пазов равно , то после одного обхода мы приходим на коллекторную пластину, расположенную рядом c исходной по направлению, противоположную направлению обхода.
Иногда из конструктивных соображений в машинах малой мощности концы секций подключают к коллекторным пластинам, смещенным относительно оси симметрии секции на некоторый угол. Тогда и щетки должны быть смещены относительно главных полюсов на тот же угол, так как переключение секций обмотки якоря должно производиться в тот момент, когда активные стороны этой секции будут находиться в таких пазах, где индукция магнитного поля будет близкой к нулю.
При составлении схемы укладки обмотки якоря коллекторные пластины, пазы и активные стороны секций удобно пронумеровать для того, чтобы определить, какая активная сторона и какой секции укладывается первой и которая активная сторона укладывается последней. В этом случае шаг обмотки при или . Первый частичный шаг . Второй частичный шаг .
Различают скрещенные и нескрещенные обмотки. Если , получают скрещенную обмотку, при получают нескрещенную обмотку.
В приведенном примере рассматривается скрещенная волновая обмотка, у которой , и . Полный шаг обмотки . Первый частичный шаг . Второй частичный шаг .
Щетки такой обмотки при симметричном подключении выводов секций к коллекторным пластинам должны быть расположены на оси главных полюсов машины. При внимательном рассмотрении положения щеток можно отметить, что щетки отрицательного полюса, например, соединяют коллекторные пластины, к которым подключена одна из секций обмотки. То же самое можно сказать
и о щетках положительного полюса. Из этого можно сделать вывод о том, что все другие секции, последовательно соединенные между собой, образуют две параллельные ветви при любом количестве пар полюсов.
С другой стороны, машина будет функционировать даже в том случае, если удалить из щеткодержателя по одной из щеток каждого полюса (А2 и B2, например). В этом случае в четырехполюсной машине щетки могут быть расположены в пространстве под уг-
лом 90 . Однако на практике с целью уменьшения сопротивления перехода щетки – коллектор, как правило, используют все щетки.
Одним из основных условий функционирования машин постоянного тока является наличие магнитного поля, которое может быть получено различными способами.
Один из простейших способов создания магнитного поля машин постоянного тока является использование постоянных магнитов в качестве источника этого поля. Однако такой способ весьма дорогостоящий и используется в машинах очень малой мощности. Магнитное поле машины может быть получено за счет использования электромагнитов, для чего в магнитной цепи располагается специальная обмотка, называемая обмоткой возбуждения. По этой обмотке пропускается постоянный ток, за счет чего и создается магнитное поле машины. Одна или несколько обмоток возбуждения располагаются на главных полюсах машины, которые и формируют картину поля в воздушном зазоре машины. Для питания обмоток возбуждения могут использоваться независимые источники питания. В этом случае машину называют машиной с независимым возбуждением. Генератор постоянного тока сам является мощным источником постоянного тока. Если для питания обмоток возбуждения используется сам генератор, то такая машина называется машиной с самовозбуждением. Обмотки главных полюсов машины подразделяются на обмотки, предназначенные для питания от независимых источников, обмотки, предназначенные для подключения параллельно обмотке якоря и для включения последовательно с обмоткой якоря.
В зависимости от способов возбуждения или создания магнитного поля машины постоянного тока делятся на машины с независимым возбуждением и машины с самовозбуждением.
Такое деление справедливо в большей степени для генераторного режима работы машины, так как машина, работающая в режиме двигателя, получает питание цепи возбуждения и якорной цепи от внешних источников постоянного тока.
Машины с независимым возбуждением подразделяют на следующие:
а) машины с постоянными магнитами (рис. 2.20, а);
б) машины с обмоткой возбуждения, питаемой от независимого источника (рис. 2.20, б).
Условное обозначение машин приведено на рис. 2.20.
г д
Рис. 2.20
Машины с самовозбуждением подразделяются на машины с параллельным (рис. 2.20, в), последовательным (рис. 2.20, г) и cмешанным возбуждением (рис. 2.20, д).
В последнем случае смешанного возбуждения, когда используются последовательная и параллельная обмотки, намагничивающие силы обмоток могут совпадать или не совпадать по направлению в зависимости от способа соединения обмоток.
Если намагничивающие силы обмоток совпадают по направлению, то магнитный поток главных полюсов пропорционален сумме намагничивающих сил обмоток. Такие машины называют машинами со смешанным возбуждением с согласным включением обмоток. Если же обмотки создают магнитные потоки противоположного направления, то результирующий магнитный поток главных полюсов будет пропорционален разности намагничивающих сил обмоток возбуждения. Такой способ возбуждения называют смешанным со встречным включением обмоток.
Таким образом, различают:
а) машины с независимым возбуждением:
1) машины с постоянными магнитами (см. рис. 2.20, а),
2) машины с обмотками, питаемыми от независимых источников (см. рис. 2.20, б) и
б) машины с самовозбуждением:
1) машины с параллельным возбуждением (см. рис. 2.20, в),
2) машины с последовательным возбуждением (см. рис. 2.20, г),
3) машины со смешанным возбуждением с согласным включением обмоток (см. рис. 2.20, д),
4) машины со смешанным возбуждением со встречным включением обмоток (см. рис. 2.20, д).
При вращении якоря машины постоянного тока, магнитный поток которой не равен нулю, в его обмотке наводится электродвижущая сила, величина и полярность которой зависят от величины магнитного потока, от частоты вращения якоря и от конструктивных особенностей машины.
Магнитную цепь электрической машины проектируют с таким расчетом, чтобы векторы магнитной индукции были бы практически перпендикулярны поверхности якоря. Распределение же индукции по воздушному зазору, как указывалось ранее, неравномерно.
Электродвижущая сила одного проводника e длиной l, перемещающегося в магнитном поле перпендикулярно силовым линиям с линейной скоростью v, определяется с помощью уравнения
,
где B – индукция магнитного поля в зоне расположения проводника.
Если в пазах машины уложено N проводников обмотки якоря, которые образуют 2a параллельных ветви, то суммарная ЭДС обмотки определится следующим соотношением:
,
здесь а – число пар параллельных ветвей.
Частоту вращения якоря принято выражать в оборотах в минуту. Если якорь имеет радиус R и он вращается с частотой n об/мин, тогда линейную скорость перемещения проводников можно получить с помощью формулы
м/с.
Реальные значения индукций зазора заменим ее средним значением под каждым полюсом (рис. 2.21), тогда ЭДС каждой ветви обмотки якоря будет равной
Рис. 2.21
.
Полученное уравнение умножим
и разделим на количество полюсов машины тогда
;
В этом уравнении является длиной средней линии воздушного зазора, приходящейся на один полюс. l есть длина проводников, находящихся в магнитном поле, т. е. это практически длина паза якоря или, что одно и то же, длина магнитопровода якоря. Величина является площадью поверхности якоря, приходящейся на один полюс машины. Но произведение этой площади Sn на среднее значение индукции Bcр равно магнитному потоку машины
.
ЭДС машины в этом случае
.
В полученной формуле величина постоянная для данной машины и зависит только от ее конструкции.
Обозначив , получим окончательную формулу для нахождения ЭДС машины:
,
где – конструктивная постоянная машины при определении ее ЭДС;
n частота вращения якоря;
Ф магнитный поток машины, который зависит в общем случае от намагничивающей силы обмотки возбуждения и, следовательно, от тока обмотки возбуждения Iв.
Рис. 2.22
Полученная формула может быть использована для построения и объяснения поведения характеристик машин постоянного тока. Реальное значение электродвижущих сил якорных обмоток несколько ниже расчетных. Это объясняется следующим явлением. ЭДС отдельного проводника, как уже объяснялось ранее, пропорциональна индукции магнитного поля в зоне его расположения в каждый момент времени .
При вращении якоря со скоростью n эта ЭДС изменяется по периодическому закону, повторяющему по форме закон распределения индукции в зазоре (рис. 2.22).
Как известно из курса электротехники, такая периодическая несинусоидальная функция может быть представлена в виде ряда Фурье для любого k-го витка
.
Секции обмотки якоря расположены в различных пазах, т. е. смещены в пространстве на определенный пространственный угол. Это приводит к тому, что гармонические соответствующие ЭДС каждой секции будут сдвинуты по фазе. В этом случае суммарная ЭДС ветви обмотки якоря, представляющая собой сумму мгновенных значений ЭДС отдельных витков, будет равна не сумме амплитуд соответствующих гармоник, а их векторной сумме с учетом разности фаз. Для более наглядного объяснения обычно используют векторно-топографическую диаграмму первых гармоник ЭДС якорной обмотки (рис. 2.23).
Рис. 2.23
Здесь Е1, Е2, Е3, Е4, Е5, Е6 векторы ЭДС секций одной из параллельных ветвей двухполюсной машины, имеющей на поверхности якоря 12 пазов для укладки обмоток. В такой машине секции якорной обмотки сдвинуты в пространстве на 30 пространственных градусов. Как следует из приведенного примера, результирующая ЭДС Е всегда меньше суммы действующих значений ЭДС секций. Векторная сумма других гармонических составляющих ЭДС секций дает похожий результат.
Таким образом, ЭДС якорной обмотки реальной машины всегда меньше расчетного значения. Это уменьшение учитывается путем введения дополнительного коэффициента в постоянную Сe формулы определения ЭДС . Значение этого коэффициента уточняется экспериментально.
Машины постоянного тока являются машинами обратимыми. Они могут работать как в режиме генератора, преобразующего механическую энергию в электрическую, так и в режиме двигателя, преобразующего механическую энергию в электрическую. И в том, и в другом случае на валу машины имеется механический момент. Если пренебречь механическими потерями в машине, то величина этого момента складывается из механических моментов, воздействующих на проводники якорной обмотки. Сила, действующая на проводник с током I' длиной l, находящийся в магнитном поле с индукцией B, определяется из формулы .
Механический момент, создаваемый одним проводником, , где R радиус якоря.
Если в пазах якоря уложено N проводников, то, используя среднее значение индукции ,
.
Если общий ток якоря I, а обмотка имеет 2a параллельных ветвей, то ток одного проводника обмотки в 2a раза меньше общего тока, т. е. , тогда .
Введя в формулу величину диаметра якоря и умножив числитель и знаменатель коэффициента на , получим:
.
Умножим и разделим полученное выражение на количество полюсов машины , тогда
.
Величина является длиной окружности якоря, умноженной на длину внешней поверхности якоря, т. е. площадью поверхности якоря. Эта площадь, разделенная на количество полюсов, определит площадь якоря, находящуюся над одним полюсом
.
Но произведение среднего значения индукции на эту площадь равно магнитному потоку машины или
.
Подставляя это значение в формулу, получаем:
.
Обозначив постоянной , т. е. постоянной, зависящей лишь от конструкции машины, получим:
.
Таким образом, механический момент на валу машины постоянного тока зависит от конструкции машины и пропорционален магнитному потоку и току якоря.
Как ЭДС, так и механический момент пропорционален магнитному потоку, который, в свою очередь, является функцией тока возбуждения. Связь между магнитным потоком и током возбуждения зависит от геометрических размеров магнитной цепи машины и кривой намагничивания материала магнитной цепи.
Для определения ЭДС машины и механического момента использованы две постоянные, зависящие от конструкции машины
и .
Следовательно, или .
В машинах, работающих в режиме холостого хода, магнитное поле создается только намагничивающей силой обмоток главных полюсов. При этом поле симметрично относительно оси симметрии машины ОО', и линия, проходящая через точки воздушного зазора, в которых индукция равна нулю NN', совпадает с осью симметрии машины. Первую линию называют геометрической нейтралью, а вторую линию магнитной нейтралью. И говорят о том, что в ненагруженной машине магнитная нейтраль NN' совпадает с геометрической нейтралью ОО'.
В том же случае, когда электромагнитная мощность не равняется нулю, ток обмотки якоря не равен нулю. Магнитное поле машины так же, как величина магнитного потока и распределение индукции в зазоре, зависит не только от намагничивающей силы обмоток главных полюсов, но и от намагничивающей силы обмотки якоря, которая создает свою составляющую магнитного потока.
На рис. 2.24, а магнитное поле, созданное обмотками возбуждения главных полюсов, представлено сплошными силовыми линиями, проходящими в основном по статору машины, главным полюсам, зазору и магнитной цепи ротора. Магнитное поле, образованное обмоткой якоря при направлении тока, указанном на рисунке пунктирными линиями, сосредоточено в основном в башмаках главных полюсов, воздушном зазоре и внешней части якоря. Оно представлено пунктирными силовыми линиями под северным и южным полюсами.
Очевидно то, что под левым краем северного полюса и под правым краем южного полюса силовые линии магнитных полей противоположны, тогда как под другими краями полюсов совпадают.
Рис. 2.25
Таким образом, под левым краем северного полюса и под правым краем южного магнитное поле якоря ослабляет поле главных полюсов и усиливает под другими краями. Результирующее магнитное поле не будет симметричным (см. рис. 2.24, б). Искажение магнитного поля машины под действием намагничивающей силы обмотки якоря называют реакцией якоря. Из-за реакции якоря точки воздушного зазора с нулевым значением индукции сместятся в нашем случае против часовой стрелки относительно геометрической нейтрали. В этом случае говорят, что в нагруженной машине постоянного тока магнитная нейтраль не совпадает с геометрической нейтралью.
Распределение индукции магнитного поля в зазоре машины изображено на рис. 2.25, где пунктиром представлен график распределения индукции
в зазоре машины, работающей в режиме холостого хода, а сплошной в зазоре нагруженной машины.
Смещение магнитной нейтрали в нагруженной машине осложняет условия переключения якорной обмотки щеточно-коллекторным устройством и приводит к искрению на коллекторе, поэтому щетки желательно располагать на магнитной нейтрали (см. рис. 2.25). Более подробно это явление будет рассмотрено ниже.
Рис. 2.26
Искажение магнитного поля за счет реакции якоря приводит не только к смещению магнитной нейтрали, но и к ослаблению результирующего магнитного потока. Намагничивающая сила обмотки якоря ослабляет индукцию
в правой части башмака северного полюса. Кривая же намагничивания электротехнической стали B = f(H) нелинейна (рис. 2.26).
Напряженность магнитного поля в левой части полюсного башмака увеличивается на , а под правой частью уменьшается на ту же величину. Машины постоянного тока проектируются обычно таким образом, что в режиме холостого хода создается такая напряженность магнитного поля Hн, при которой создается номинальное значение индукции Bн . Рабочая точка А на кривой намагничивания находится в зоне перегиба, как показано на рис. 2.26.
Приращение намагничивающей силы на величину дает увеличение индукции под правой стороной полюса на . Уменьшение намагничивающей силы на ту же величину под левой стороной полюса приводит к уменьшению индукции поля на . Из рисунка следует то, что . Приращение индукции под правой стороной полюса не компенсирует уменьшение индукции в левой части полюса. Результирующий же магнитный поток нагруженной машины будет меньше, чем магнитный поток той же машины, работающей в режиме холостого хода.
Таким образом, прохождение тока в обмотке якоря приводит,
с одной стороны, к искажению магнитного поля, при котором магнитная нейтраль смещается с геометрической нейтрали, а с другой стороны к уменьшению (ослаблению) результирующего магнитного потока этой машины.
Обмотка якоря машин постоянного тока представляет собой совокупность секций, определенным образом уложенных в пазы барабана якоря и подключенных к коллекторным пластинам (рис. 2.27). Задача щеточно-коллекторного устройства заключается в переключении секций обмотки таким образом, чтобы полярность выходного напряжения и направление тока активных сторон секций, находящихся в любой момент времени под полюсами, были бы неизменными.
Рис. 2.27
Процесс переключения обмотки называют коммутацией. Проще всего различные фазы переключения секций показать на примере переключения секций простой петлевой обмотки.
На рис. 2.27 изображены различные фазы коммутации 2-й секции. Пусть якорь с обмоткой перемещается относительно неподвижной щетки слева направо. Тогда в какой-то момент времени щетка будет касаться коллекторной пластины 3, к которой подключена правая сторона секции 2. Секция 2 на рисунке выделена жирной линией. Направление тока в активных сторонах секции показано стрелками. Сила тока секции равна половине тока якоря. По проводникам секции ток циркулирует по часовой стрелке (рис. 2.27,а).
При перемещении якоря вправо щетка переходит с третьей коллекторной пластины на вторую. Ток второй секции уменьшается. В том случае, когда щетка в равной степени перекрывает вторую и третью пластины, ток секции 2 будет равен нулю в том случае, если нет никаких дополнительных факторов, влияющих на распределение этого тока (см. рис. 2.27). В такой ситуации говорят, что секция 2 коротко замкнута. При дальнейшем перемещении якоря относительно щетки будет иметь место такое положение якоря, когда щетка будет касаться лишь второй коллекторной пластины (см. рис. 2.27, в). В этом положении во второй секции будет протекать ток, равный половине тока якоря, но его направление будет противоположным току, который протекал в секции
в том случае, когда щетка касалась третьей коллекторной пластины (см. рис. 2.27, в). Таким образом, в процессе коммутации ток секции изменяется от значения 0,5Iя до значения 0,5Iя. График изменения тока секции для рассматриваемого случая линеен и представлен на рис. 2.28.
Рис. 2.28
В реальных же условиях переходный процесс, происходящий
в секции, гораздо сложнее, так как закон изменения тока определяется не только соотношением сопротивлений переходов щетка – третья пластина и щетка – вторая пластина, но и величиной электродвижущих сил, наводимых во второй секции.
В первую очередь речь идет об ЭДС самоиндукции, наводимой изменением тока в самой секции, так как секция представляет собой катушку с индуктивностью L. Тогда величина ЭДС самоиндукции определяется с помощью уравнения
,
где i – ток секции в данный момент времени;
L – индуктивность секции.
Рис. 2.29
В соответствии с законами, описывающими переходные процессы в катушках индуктивности, ток секции уже не будет изменяться по линейному закону. Примерный график изменения тока секции во времени представлен на рис. 2.29.
В том случае, когда в процессе коммутации магнитный поток поля главных полюсов, сцепленный с витками секции, не будет равен нулю, в секции будет иметь место дополнительная ЭДС, наведенная изменением этого потока в данный момент времени
,
где – магнитный поток, сцепленный с секцией;
W – количество витков секции.
Неравенство нулю электродвижущей силы коммутируемой секции приводит к неблагоприятным условиям переключения и к усиленному искрению на коллекторе, поэтому проектировщики электрических машин постоянного тока добиваются уменьшения суммарной ЭДС секции. Уменьшения суммарной ЭДС секции можно добиться следующими методами:
а) уменьшением индуктивности отдельной секции. При определенном количестве витков обмотки якоря для уменьшения Lс необходимо увеличить количество секций, уменьшая количество витков, приходящихся на одну секцию. Соответствующим образом увеличится и количество коллекторных пластин;
б) уменьшением магнитного потока, сцепленного с секцией в момент коммутации. Этого можно добиться путем выбора такого положения щеток относительно коллектора, при котором коммутация секции осуществлялась бы при минимальном потоке, сцепленном с секцией в момент коммутации. Это будет тогда, когда щетки будут находиться на магнитной нейтрали (см. рис. 2.24, б);
в) созданием дополнительного магнитного потока машины, сцепленного только с коммутируемой секцией и который наводил бы в секции такую ЭДС, которая компенсировала бы электродвижущие силы, наведенные в секции самоиндукцией и основным магнитным потоком из-за искажения магнитного поля машины, вызванного реакцией якоря. Магнитный поток обмотки якоря пропорционален току, поэтому для компенсации влияния этого потока на секцию в машинах средней и большой мощности на статоре между главными полюсами монтируют дополнительные полюсы. Обмотка дополнительных полюсов содержит малое количество витков и включается последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы магнитный поток этих полюсов был бы направлен навстречу магнитному потоку обмотки якоря. Количество витков обмотки дополнительных полюсов рассчитывается из условия получения минимальной ЭДС коммутируемой секции.
Конструкция большинства машин постоянного тока средней и большой мощности предусматривает возможность изменения положения щеток относительно главных полюсов в некоторых пределах для получения минимального искрения на коллекторе в процессе эксплуатации.
Искрение на коллекторе зависит не только от вышеописанных явлений, но и от состояния коллектора и щеток. Коллекторные пластины из-за искрения разрушаются, покрываются угольной пылью, что увеличивает переходное сопротивление щётка – коллектор. Из-за искрения неравномерно изнашиваются и щётки. Поэтому одной из основных задач технического обслуживания машин постоянного тока является задача содержания щеточно-коллекторного устройства в хорошем состоянии и правильного выбора положения щеток относительно главных полюсов машины.
11. Основные уравнения двигателя постоянного тока
Двигателями постоянного тока называют электрические машины, преобразующие электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.
Основными формулами, описывающими процесс преобразования энергии в двигателях постоянного тока, являются:
уравнение механического момента на валу
;
уравнение противоЭДС машины
и уравнение электрического равновесия двигателя постоянного тока, выражающее связь между приложенным напряжением, противоЭДС, током якоря и сопротивлением якорной цепи машины.
.
Обычно рассматривают три основные характеристики двигателей постоянного тока:
Все характеристики, отражающие взаимосвязь между током якоря, механическим моментом на валу двигателя и частотой вращения якоря зависят от способа возбуждения двигателя, поэтому они рассматриваются отдельно для каждой схемы возбуждения двигателя.
Характеристика скорости
Скоростной характеристикой называют зависимость частоты вращения якоря от тока якоря двигателя при постоянном напряжении питания U = const, равном номинальному напряжению, и постоянном токе возбуждения Iв = const.
Для получения функциональной зависимости скорости вращения якоря от тока воспользуемся уравнением электрического равновесия двигателя
.
Из этого уравнения получаем выражение для частоты вращения
.
В полученной формуле от тока якоря зависят две составляющие: произведение Rя Iя и результирующий магнитный поток машины .
Произведение RяIя, равное падению напряжения на сопротивлении цепи якоря, приводит к пропорциональному уменьшению частоты вращения при увеличении тока якоря. Магнитный поток машины при увеличении тока якоря из-за реакции якоря несколько уменьшается. Эта зависимость магнитного потока от тока якоря нелинейная, поэтому и скоростная характеристика двигателей с независимым и параллельным возбуждением нелинейная (рис. 3.4).
Рис. 3.4
В зависимости от соотношения влияния на частоту вращения падения напряжения Rя Iя и изменения магнитного потока двигателя характеристика скорости может иметь различный вид. На рис. 3.4 кривая 1 представляет собой характеристику скорости двигателя, у которого влияние Rя Iя преобладает перед влиянием потока , кривая 3 представляет собой скоростную характеристику двигателя, у которого влияние потока преобладает перед влиянием падения напряжения на сопротивлении цепи якоря Rя Iя .
Чаще всего встречаются двигатели, у которых уменьшение частоты вращения за счет падения напряжения на сопротивлении цепи якоря преобладает перед влиянием реакции якоря, приводящей к уменьшению магнитного потока.
Характеристика момента
Характеристикой момента называют зависимость механического момента на валу двигателя от тока якоря при постоянном номинальном напряжении питания U = Uн = const и при постоянном номинальном токе возбуждения Iв= Iвн = const.
Ток якоря ненагруженного двигателя не равен нулю. Это объясняется наличием потерь в двигателе, работающем без нагрузки. Такой ток называется током холостого хода Iяо двигателя.
Используя ранее полученную формулу для определения механического момента на валу двигателя, получаем для двигателя, работающего в режиме холостого хода, формулу: .
Нагруженный двигатель при токе якоря Iя развивает механический момент . Этот развиваемый момент называют электромагнитным.
Механический момент на выходе двигателя равен разности электромагнитного момента и момента холостого хода .
Рис. 3.5
При неизменной величине магнитного потока зависимости и являются прямыми линиями. Однако магнитный поток машины несколько уменьшается при увеличении тока якоря Iя из-за реакции якоря, поэтому характеристики и не являются прямолинейными (рис. 3.5). Максимальное значение тока якоря, при котором якорь ненагруженного двигателя (М2 = 0) начинает вращаться, называют током трогания. Электромагнитный момент в этом случае равен моменту холостого хода.
Особый интерес представляет график зависимости КПД машины от тока якоря (см. рис. 3.5). КПД равен нулю при токах, меньших тока холостого хода или тока трогания (М2 = 0 и Р2 = 0). При дальнейшем увеличении тока КПД увеличивается и достигает максимального значения при токе якоря, равном примерно 0,75Iян. При больших токах КПД начинает уменьшаться. КПД двигате-
лей средней и большой мощности при номинальном токе достига-ет 85 – 95 %.
Механическая характеристика
Основной характеристикой двигателя постоянного тока является механическая характеристика.
Механической характеристикой называют зависимость частоты вращения якоря n от механического момента на валу двигате-
ля M2 при постоянном напряжении питания и постоянном токе возбуждения, т. е. . В дальнейших рассуждениях будем предполагать, что электромагнитный момент равен механическому моменту на выходе двигателя .
Особую роль играет механическая характеристика двигателя при номинальном напряжении питающей сети U = Uн = const и номинальном токе возбуждения Iв = Iвн = const. Такую механическую характеристику называют естественной. Рассматривают и другие механические характеристики, выражающие ту же зависимость , но при других условиях работы, т. е. при других значениях напряжения, при других токах возбуждения и при различных сопротивлениях реостатов, включенных последовательно с якорем. Такие механические характеристики называют искусственными.
Найдем аналитическое уравнение, описывающее механическую характеристику.
В уравнении электрического равновесия . ПротивоЭДС обмотки якоря . Следовательно,
= . Из полученного уравнения . Но из уравнения для определения момента и .
Тогда .
Обозначим и . Можно написать .
Полученное уравнение является уравнением прямой линии.
Уравнение состоит из двух слагаемых. Первое слагаемое не зависит от момента, а второе слагаемое прямо пропорционально механическому моменту М.
Очевидно то, что механическая характеристика (рис. 3.6) двигателя постоянного тока выражается прямой линией. Такую прямую можно провести через две точки, положение которых на графике можно найти следующим образом: в режиме идеального холостого хода момент двигателя равен нулю , и якорь вращается с частотой , а при номинальном напряжении .
Рис. 3.6
Это первая точка механической характеристики. Положение другой точки определяется из условий пуска двигателя. При подключении двигателя в сеть в начальный момент времени из-за инерционности якоря частота вращения равна нулю n= 0. Противо-ЭДС обмотки якоря тоже равна нулю, и тогда приложенное напряжение падает только на сопротивлении якорной цепи. Ток якоря в этом случае достигает больших величин из-за малости Rя. Его называют пусковым током Iяп. Сила пускового тока определяется из уравнения .
Механический момент, развиваемый двигателем, в этом случае называют пусковым моментом Мп , и его величина определяется формулой
.
Общий вид естественной механической характеристики показан на рис. 3.7.
Двигатели с параллельным возбуждением имеют пусковой момент в 10…20 раз больше номинального, поэтому рабочая часть механической характеристики, ограниченная режимом холостого хода (М = 0) и номинальным значением момента на валу , занимает лишь начальную часть полной характеристики (см. рис. 3.6), в пределах которой частота вращения изменяется незначительно. Такая механическая характеристика, когда при изменении механического момента от нулевого значения до номинального значения частота вращения изменяется незначительно, называется жесткой (см. рис. 3.7). Величина весьма невелика.
Рис. 3.7
Рис. 3.8
Двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением имеют меньшее распространение по сравнению с другими двигателями. Они используются в установках с нагрузкой, не допускающей режима холостого хода. Позже будет показано, что работа двигателя последовательного возбуждения в режиме холостого хода может привести к разрушению двигателя. Схема подключения двигателя показана на рис. 3.8.
Ток якоря двигателя одновременно является и током возбуждения, так как обмотка возбуждения ОВ включена последовательно
с якорем. Сопротивление обмотки возбуждения достаточно мало, так как при больших токах якоря намагничивающая сила, достаточная для создания номинального магнитного потока и номинальной индукции в зазоре, достигается малым количеством витков провода большого сечения. Катушки возбуждения располагаются на главных полюсах машины. Последовательно с якорем может быть включен дополнительный реостат , который может использоваться для ограничения пускового тока двигателя.
Скоростная характеристика
Естественная скоростная характеристика двигателей последовательного возбуждения выражается зависимостью при
U = Uн = const. При отсутствии дополнительного реостата
в цепи якоря двигателя сопротивление цепи определяется суммой сопротивления якоря и обмотки возбуждения , которые достаточно малы. Скоростная характеристика описывается таким же уравнением, каким описывается скоростная характеристика двигателя с независимым возбуждением
.
Отличие заключается в том, что магнитный поток машины Ф создается током якоря I в соответствии с кривой намагничивания магнитной цепи машины. Для упрощения анализа предположим, что магнитный поток машины пропорционален току обмотки возбуждения, то есть току якоря . Тогда , где k – коэффициент пропорциональности.
Заменив магнитный поток в уравнении скоростной характеристики, получим уравнение:
.
График скоростной характеристики представлен на рис. 3.9.
Рис. 3.9
Из полученной характеристики следует, что в режиме холостого хода, т. е. при токах якоря, близких нулю, частота вращения якоря в несколько раз превышает номинальное значение, а при стремлении тока якоря к нулю частота вращения стремится к бесконечности (ток якоря в первом слагаемом полученного выражения входит в знаменатель). Если считать формулу справедливой для весьма больших токов якоря, то можно сделать предположение, что . Полученное уравнение позволяет получить значение силы тока I, при котором частота вращения якоря будет равняться нулю. У реальных двигателей последовательного возбуждения при определенных значениях тока магнитопровод машины входит в насыщение, и магнитный поток машины изменяется незначительно при значительных изменениях тока.
Характеристика показывает, что изменение тока якоря двигателя в области малых значений приводит к значительным изменениям частоты вращения.
Характеристика механического момента
Рассмотрим характеристику момента двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. , при U = U н = const.
Как уже показано, . Если магнитная цепь машины не насыщена, магнитный поток пропорционален току якоря ,
а электромагнитный момент М будет пропорционален квадрату тока якоря .
Полученная формула с математической точки зрения представляет собой параболу (кривая 1 на рис. 3.10). Реальная характеристика проходит ниже теоретической (кривая 2 на рис. 3.10), так как из-за насыщения магнитной цепи машины магнитный поток не пропорционален току обмотки возбуждения или току якоря в рассматриваемом случае.
Рис. 3.10
Характеристика момента двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением представлена на рисунке 3.10.
КПД двигателя последовательного возбуждения
Формула, определяющая зависимость КПД двигателя от тока якоря, для всех двигателей постоянного тока одинакова и не зависит от способа возбуждения. У двигателей последовательного возбуждения при изменении тока якоря механические потери и потери в стали машины практически не зависят от тока Iя . Потери же в обмотке возбуждения и в цепи якоря пропорциональны квадрату тока якоря. КПД достигает максимального значения (рис. 3.11) при таких значениях тока, когда сумма потерь в стали и механических потерь равна сумме потерь в обмотке возбуждения и цепи якоря.
Рис. 3.11
При номинальном токе КПД двигателя несколько меньше максимального значения.
Механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения
Естественная механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения, т. е. зависимость частоты вращения от механического момента на валу двигателя , рассматривается при постоянном напряжении питания, равном номинальному напряжению U = Uн = const. Если магнитная цепь машины не насыщена, как уже утверждалось, магнитный поток пропорционален току якоря, т. е. , и механический момент пропорционален квадрату тока . Ток якоря в этом случае равен
,
а частота вращения
.
Или .
Подставив вместо тока его выражение через механический момент, получаем
.
Обозначим и ,
получаем .
Полученное уравнение представляет собой гиперболу, пересекающую ось моментов в точке .
Так как или .
Пусковой момент таких двигателей в десятки раз больше номинального момента двигателя.
Рис. 3.12
Общий вид механической характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения представлен на рис. 3.12.
В режиме холостого хода частота вращения стремится к бесконечности. Это следует из аналитического выражения механической характеристики при М → 0.
У реальных двигателей последовательного возбуждения частота вращения якоря в режиме холостого хода может в несколько раз превышать номинальную частоту вращения. Такое превышение опасно и может привести к разрушению машины. По этой причине двигатели последовательного возбуждения эксплуатируются в условиях постоянной механической нагрузки, не допускающей режима холостого хода. Такой тип механической характеристики относят к мягким механическим характеристикам, т. е. к таким механическим характеристикам, которые предполагают значительное изменение скорости вращения при изменении момента на валу двигателя.
14. Характеристики двигателей постоянного тока смешанного возбуждения
Схема подключения двигателя смешанного возбуждения представлена на рис. 3.13.
Рис. 3.13
Д
Последовательная обмотка возбуждения ОВ2 может быть включенной так, что ее магнитный поток может совпадать по направлению с магнитным потоком параллельной обмотки ОВ1 или не совпадать. Если намагничивающие силы обмоток совпадают по направлению, то суммарный магнитный поток машины будет равен сумме магнитных потоков отдельных обмоток. Частота вращения якоря n может быть получена из выражения
.
В полученном уравнении и – магнитные потоки параллельной и последовательной обмоток возбуждения.
В зависимости от соотношения магнитных потоков и скоростная характеристика представляется кривой, которая занимает промежуточное положение между характеристикой того же двигателя при параллельной схеме возбуждения и характеристикой двигателя с последовательным возбуждением (рис. 3.14). Характеристика моментов займет также промежуточное положение между характеристиками двигателя последовательного и параллельного возбуждения.
Рис. 3.14
В общем случае, с увеличением момента частота вращения якоря уменьшается. При определенном количестве витков последовательной обмотки можно получить очень жесткую механическую характеристику, когда частота вращения якоря практически не будет изменяться при изменении механического момента на валу.
Если магнитные потоки обмоток не совпадают по направлению (при встречном включении обмоток), то зависимость частоты вращения якоря двигателя от потоков опишется уравнением
.
При увеличении нагрузки ток якоря будет увеличиваться. При увеличении тока магнитный поток будет расти, а частота вращения n уменьшаться. Таким образом, механическая характеристика двигателей смешанного возбуждения с согласным включением обмоток является очень мягкой (см. рис. 3.14).
Достоинство двигателей постоянного тока заключается в возможности получения больших пусковых моментов, что уменьшает время запуска нагруженных двигателей. С другой стороны, жесткость механических характеристик двигателей с параллельным возбуждением позволяет получить стабильность работы при изменении момента нагрузки в значительных пределах. Но большие механические моменты на валу требуют прохождения больших токов по обмотке якоря в сети питания двигателя, что создает проблемы с выбором сечения проводов электрической сети, мощности источника питания и системы защиты двигателя. Поэтому основная задача, возникающая при пуске двигателей, заключается в получении оптимальной величины пускового механического момента и минимального пускового тока двигателя.
На практике используются три способа пуска двигателей постоянного тока:
1) прямое включение двигателя в сеть;
2) пуск двигателя с помощью реостата, включенного последовательно с обмоткой якоря и предназначенного для ограничения величины пускового тока двигателя. Такой способ пуска называют реостатным пуском;
3) пуск двигателя с помощью специальных установок.
Пуск двигателей прямым включением возможен в том случае, когда питающая сеть обеспечивает кратковременный пропуск токов, больших номинального тока в десятки раз. Как правило, с помощью прямого включения осуществляется пуск двигателей только малой мощности.
Реостатный пуск двигателей достаточно прост, но при запуске в пусковом реостате теряется большое количество энергии. При таком способе запуска двигателя возможно появление кругового огня на коллекторе из-за больших пусковых токов и система защиты двигателя должна быть более сложной. Сеть питания двигателя должна быть хорошо рассчитана.
Д
Рис. 3.15
На рис. 3.15 приведена схема включения двигателя параллельного возбуждения, используемая при реостатном пуске.
На схеме представлены: Rрв реостат
в цепи возбуждения, Rп – пусковой реостат, ОВ – обмотка возбуждения двигателя и Д – якорь двигателя.
Рис. 3.16
При прямом пуске двигателя, т. е. при подключении двигателя к сети при Rп = 0, ток якоря и частота вращения якоря изменяются в функции времени по сложному закону. Графики этих зависимостей представлены на рис. 3.16.
Частота вращения изменяется в функции времени по закону, близкому к экспоненциальному закону. Ток якоря за очень короткий промежуток времени, измеряемый миллисекундами, достигает значения, близкого к величине , где . С возрастанием частоты вращения и величины противоЭДС ток якоря уменьшается до установившегося значения, определяемого током холостого хода, если двигатель не нагружен, или до значения, достаточного для обеспечения преодоления механического момента сопротивления нагрузки. Длительность переходного процесса
в этом случае определяется соотношением пускового момента
и момента сопротивления нагрузки.
Реостатный пуск необходим в тех случаях, когда сеть или источник питания двигателя не рассчитаны на прохождение пусковых токов, превышающих номинальный ток в 10–15 раз. Как правило, речь идет о двигателях средней и большой мощности. Для уменьшения пускового тока двигателя последовательно с якорем включается пусковой реостат, сопротивление которого рассчитывается для каждого двигателя.
При включенном пусковом реостате сопротивление цепи якоря равняется сумме сопротивления пускового реостата и сопротивления якоря . Пусковой ток двигателя без учета тока возбуждения можно вычислить по закону Ома:
,
где Iп пусковой ток двигателя, Rп сопротивление пускового реостата.
Сопротивление пускового реостата рассчитывается таким образом, чтобы величина пускового механического момента превышала номинальное значение в полтора-два раза. При увеличении частоты вращения якоря сопротивление пускового реостата уменьшают плавно или дискретно, вручную или автоматически. Специальные пусковые реостаты предусматривают устройства подключения и контроля тока возбуждения, чтобы исключить питание якоря двигателя при обрыве цепи обмотки возбуждения.
Рассмотрим технологию запуска двигателя постоянного тока
с помощью пускового реостата. Схема подключения двигателя
с пусковым реостатом изображена на рис. 3.17.
Рис. 3.17
Пусковой реостат в рассматриваемом случае секционирован. Сопротивление каждой секции реостата вычисляется и зависит от режима запуска. Полное его сопротивление равно сумме сопротивлений секций
.
Если подвижный контакт находится в положении «0», то цепь якоря и цепь обмотки возбуждения отключены от источника питания. При переводе подвижного контакта в положение «1» цепь обмотки возбуждения получает питание непосредственно от источника и с этого момента остается подключенной к сети при всех последующих положениях подвижного контакта. При таком положении подвижного контакта последовательно с якорем включено полное сопротивление реостата Rп. Пусковой ток будет равен
.
Механический момент, развиваемый двигателем, будет равен .
Рис. 3.18
Как уже указывалось выше, сопротивление пускового реостата выбирается такой величины, чтобы пусковой момент был бы в полтора – два раза больше номинального момента, т. е. . Пусть в нашем случае . Тогда меха-ническая характеристика двигателя
с включенным пусковым реоста-
том пройдет через точку n = n0 и (рис. 3.18).
В соответствии с механической характеристикой, соответствующей полному сопротивлению реостата (прямая 1), двигатель разовьет скорость n1 при номинальном моменте сопротивления Мн. На рисунке значению n1 соответствует максимальная частота вращения при полностью введенном пусковом реостате. ПротивоЭДС якоря достигнет значения
,
а ток якоря уменьшится до номинальной величины. При достижении частоты вращения n1 подвижной контакт пускового реостата переводится в положение «2» и его сопротивление уменьшается до значения
.
При таком сопротивлении ток якоря увеличивается снова до значения 1,5Iн , режим работы двигателя определяется искусственной механической характеристикой 2. В соответствии с этой характеристикой двигатель разгоняется до частоты вращения n2. Подвижной контакт переводится в положение 3, после чего в двигателе происходят процессы, подобные процессам, описанным выше.
Далее контакт переводят в 4-е положение и, наконец, в 5-е. При таком положении подвижного контакта пусковой реостат полностью выведен из цепи якоря, и двигатель начинает работать в соответствии со своей естественной механической характеристикой, обеспечивая номинальную частоту вращения nн . Пуск двигателя закончен.
Рис. 3.19
Расчет пускового реостата, т. е. вычисление его полного
сопротивления и сопротивлений его секций (Rп, R1, R2, R3 и R4) (рис. 3.19), производится следующим образом. Полное сопротивление реостата вычисляется по формуле
.
В приведенной формуле U – напряжение питания; Iн – номинальный ток; Rя – сопротивление якоря; k – коэффициент перегрузки при пуске двигателя (k 1, 2, …, 3).
Сопротивления секций R1, R2, R3 и R4 вычисляются исходя из следующих соображений.
При полностью введенном сопротивлении реостата установившийся режим будет иметь место тогда, когда момент двигателя будет равен номинальному Мн. Ток якоря в этом случае будет ранен номинальному Iн. Следовательно, .
Откуда ЭДС .
При изменении положения подвижного контакта сопротивление реостата будет равно . Частота вращения останется неизменной. Прежней останется и ЭДС двигателя. Следовательно,
.
Коэффициент k в приведенной формуле равен отношению максимального тока якоря допустимого при запуске к номинальному току.
Из приведенной формулы получаем величину сопротивления реостата на втором этапе пуска двигателя
При измененном сопротивлении установившийся режим будет иметь место при . Проводя рассуждения аналогично предыдущим, получаем:
.
И, наконец, .
Рис. 3.20
Более детальное секционирование пускового реостата нецелесообразно. Обычно используют пусковые реостаты, состоящие из 47 секций. Сопротивления отдельных секций, т. е. значения R1, R2, R3, R4 легко вычисляются из полученных значений в соответствии со схемой (рис. 3.20).
.
При использовании несекционированного пускового реостата сопротивление уменьшается с таким расчетом, чтобы ток якоря был максимально близким к значению , что обеспечивает минимальное время запуска двигателя.
Наилучший результат дают автоматические системы пуска двигателей постоянного тока, обеспечивающие плавный и быстрый пуск. Все автоматические системы создаются на основании получения определенного закона изменения тока якоря во времени
при запуске двигателя.
Графики изменения тока якоря и частоты вращения двигателя при пуске двигателя с помощью секционированного пускового реостата представлены на рис. 3.20.
Следует помнить о том, что пусковой реостат работает кратковременно, поэтому его номинальная мощность может быть меньшей, чем максимальная мощность, вычисленная из соотношения для рассматриваемого случая
.
Пуск двигателей с последовательным и смешанным возбуждением осуществляется аналогично пуску двигателей с независимым возбуждением.
Основным преимуществом двигателей постоянного тока является сравнительная простота регулирования частоты вращения якоря в больших пределах. Основными способами регулирования частоты вращения якоря двигателей являются:
Сущность каждого способа регулирования частоты вращения можно понять, анализируя уравнение, определяющее связь между частотой вращения, напряжением питания, сопротивлением регулировочного реостата и током возбуждения. Ток возбуждения определяет магнитный поток машины.
Уравнение электрического равновесия двигателя, последовательно с якорем которого включен регулировочный реостат сопротивлением Rр:
или .
Отсюда
.
Регулировочное сопротивление включается последовательно с якорем, подобно пусковому реостату. Оно работает в длительном режиме, поэтому его номинальная мощность определяется максимальной рассеиваемой мощностью при самых неблагоприятных условиях.
Из формулы следует, что частота вращения пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку .
Рассмотрим каждый способ управления двигателем.
Якорное управление
Под якорным управлением понимают регулирование скорости вращения якоря двигателей постоянного тока путем изменения напряжения на зажимах якоря двигателя. Напряжение на зажимах обмотки возбуждения должно оставаться неизменным. При таком способе управления двигателем регулировочное сопротивление не используют, и сопротивление цепи якоря определяется только сопротивлением обмотки якоря Rя . Тогда
.
При неизменной величине магнитного потока и сопротивления цепи якоря , но при различных значениях напряжения питания двигатель будет иметь различные искусственные механические характеристики, проходящие через точку частоты вращения идеального холостого хода, величина которой определяется из уравнения и находится на оси частот вращения n. Другая точка механической характеристики определяется величиной пускового момента
.
Рис. 3.21
Очевидно то, что и и пропорциональны напряжению питания якоря U
и механические характеристики при различных напряжениях сети U параллельны друг другу. Семейство таких характеристик представлено на рис. 3.21.
Если двигатель нагружен номинальным моментом Мн, то каждому напряжению соответствует своя частота вращения, пропорциональная приложенному напряжению U. Номинальному напряжению Uн соответствует номинальная частота вращения nн. Напряжение меньше номинального обеспечивает меньшую частоту вращения . Аналогично изменяется частота вращения при увеличении напряжения и . Падение напряжения на сопротивлении якоря при неизменном моменте остается постоянным. Увеличение напряжений до значений, больших номинального, нежелательно, так как частота вращения при этом становится больше номинальной величины, а это может привести к преждевременному износу машины. На практике иногда допускается увеличение напряжения на якоре на 15–20 % выше номинального напряжения.
Полюсное управление
Под полюсным управлением двигателя постоянного тока понимают регулирование частоты вращения якоря путем изменения напряжения на зажимах обмотки возбуждения. При полюсном управлении двигателем при постоянном моменте на валу ток якоря и напряжение на якоре остаются неизменными. Регулируют лишь ток возбуждения, изменение которого приводит к изменению магнитного потока. Из уравнения скорости
очевидно то, что числитель дроби остается величиной постоянной и частота вращения обратно пропорциональна магнитному потоку.
Рис. 3.22
Рассмотрим семейство механических характеристик двигателя, соответствующих различным значениям тока возбуждения, предполагая, что магнитная цепь машины не насыщена и магнитный поток прямо пропорционален току возбуждения. Как и прежде, построение механических характеристик будем вести, определяя частоту вращения идеального холостого хода n0 и величину пускового момента Mп. На рис. 3.22 изображено семейство полных механических характеристик, соответствующих различным значениям тока возбуждения.
Естественная механическая характеристика представляет собой прямую линию, проходящую через точки
и .
При уменьшении тока возбуждения на 20 % частота вращения идеального холостого хода увеличивается. Пусковой момент при этом уменьшается на 20 % (см. рис. 3.22). При увеличении тока возбуждения на 20 % происходит уменьшение частоты вращения идеального холостого хода . Пусковой момент при этом увеличится в такое же число раз.
Механические характеристики двигателя постоянного тока
с изменением механических моментов нагрузки в пределах от до представлены на рис. 3.23.
Рис. 3.23
При изменении тока возбуждения угол наклона механических характеристик изменяется. При этом уменьшение тока возбуждения приводит к увеличению частоты вращения, а увеличение тока возбуждения дает уменьшение частоты вращения двигателя. Диаметр провода обмотки возбуждения выбирается из условия прохождения номинального тока, поэтому значительное увеличение тока возбуждения до значений выше номинального приводит к перегреву обмотки возбуждения. Иногда допускают превышение тока возбуждения на 1520 %.
Из уравнения механической характеристики следует то, что частота вращения идеального холостого хода обратно пропорциональна магнитному потоку . Если предположить, что магнитный поток машины пропорционален току возбуждения, то ,
где k – коэффициент пропорциональности, тогда .
Теоретически уменьшение тока возбуждения в два раза дает двукратное увеличение частоты вращения, что уже недопустимо.
Дальнейшее уменьшение тока возбуждения приводит к аварийной ситуации и к выходу двигателя из строя. Поэтому системы защиты двигателя контролируют величину тока возбуждения и отключают напряжение питания якоря при опасно малых токах возбуждения. Таким образом, возможности полюсного управления двигателей постоянного тока весьма ограничены.
Реостатное регулирование
Под реостатным управлением двигателя постоянного тока понимают изменение скорости вращения двигателя путем изменения сопротивления цепи якоря. Для такого регулирования последовательно с якорем включают реостат (рис. 3. 2 4). Изменение частоты вращения двигателя постоянного тока с помощью регулировочного реостата возможно в том случае, когда двигатель нагружен механическим моментом, близким к номинальной величине. Принцип регулирования основан на том, что при изменении сопротивления цепи якоря изменяется угол наклона механической характеристики двигателя к оси моментов и при постоянном механическом моменте сопротивления на валу частота вращения изменяется. Схема включения двигателя изображена на рис. 3.24.
Рис. 3.25
Рассмотрим полные механические характеристики при различных сопротивлениях регулировочного реостата. Семейство полных механических характеристик двигателя при различных величинах сопротивлений регулировочного реостата Rрег показано на рис. 3.25. Ранее получена формула, описывающая механическую характеристику двигателя при включенном последовательно с якорем регулировочном реостате
.
Положение механической характеристики определяется двумя точками: скоростью идеального холостого хода и пусковым моментом .
Рис. 3.26
Из приведенных формул следует, что скорость идеального холостого хода не зависит от сопротивления регулировочного реостата. Величина же пускового момента обратно пропорциональна этому сопротивлению. Поэтому угол наклона характеристик при увеличении сопротивления регулировочного реостата увеличивается . Механические характеристики двигателя для значений моментов от 0 до 1,5Мн и при различных величинах сопротивлений регулировочного реостата Rрег показаны на рис. 3.26.
При неизменном механическом моменте ток якоря является величиной постоянной, и вторая слагаемая уравнения скорости , имея отрицательный знак, увеличивается
при увеличении Rрег . Таким образом, увеличение Rрег приводит к уменьшению частоты вращения двигателя. На рис. 3.26 .
При таком способе регулирования частоты вращения при постоянном моменте на валу мощность, потребляемая из сети, остается неизменной . Выходная же мощность двигателя при уменьшении частоты вращения уменьшается, так как . Мощность потерь , равная разности мощности, потребляемой из сети, и выходной мощности, с уменьшением частоты вращения увеличивается за счет увеличения мощности нагревания регулировочного реостата, так как потери в самом двигателе изменяются незначительно. КПД всей установки при таком способе регулирования частоты вращения гораздо меньше номинального значения. С точки зрения энергетических затрат такой способ регулирования частоты вращения неэффективен.
Якорное, полюсное и реостатное регулирование частоты вращения в большей степени применимы для двигателей с независимым, параллельным и смешанным возбуждением, так как они имеют обмотку возбуждения, ток которой не зависит от тока якоря. Речь идет о параллельной обмотке возбуждения. Двигатели с последовательным возбуждением имеют свои конструктивные особенности. Двигатели с последовательным возбуждением классической конструкции имеют одну обмотку, предназначенную для последовательного соединения с якорем. Поэтому при отсутствии дополнительных устройств ток обмотки возбуждения всегда равен току якоря. Перераспределение токов при необходимости можно реализовать с помощью дополнительных реостатов, включаемых, как правило, параллельно с обмоткой якоря или параллельно с обмоткой возбуждения.
Рис. 3.27
Ранее было получено уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока последовательного воз-буждения, схема которого изображена
на рис. 3.27
.
В этом уравнении при постоянстве механического момента
на валу М возможно изменение двух величин:
а) напряжения питания U;
б) сопротивления R, равного сумме сопротивлений регу-лировочного реостата, обмотки возбуждения и якоря, т. е. .
Рис. 3.28
Поэтому на практике основными способами изменения частоты враще-ния якоря двигателя последователь-
ного возбуждения являются изменение частоты вращения с помощью изменения питающего напряжения и способ изменения сопротивления регулировочного реостата Rрег. Семейство механических характеристик при различных напряжениях питания двигателя показано на рис. 3.28.
Рис. 3.29
Механические характеристики показывают, что изменение питающего напряжения приводит почти к пропорциональному изменению частоты вращения двигателя. При таком способе регулирования регулировочный реостат исключают из цепи якоря, поэтому .
При постоянном напряжении
питания U изменение частоты вращения возможно изменением сопротивления регулировочного реостата Rрег . Механические характеристики двигателя при таком способе регулирова-ния частоты вращения показаны
на рис. 3.29.
Увеличение сопротивления регулировочного реостата приводит к уменьшению частоты вращения. При таком способе управления двигателем не следует забывать о значительных потерях электрической энергии в регулировочном реостате и об уменьшении пускового момента при увеличении сопротивления регулировочного реостата Rрег .
Возможны и два других способа изменения частоты вращения двигателя последовательного возбуждения:
а) изменением тока возбуждения с помощью реостата, шунтирующего обмотку возбуждения (рис. 3.30);
б) изменением тока якоря путем подключения реостата параллельно якорю (рис. 3.31).
Рис. 3.30 Рис. 3.31
Наилучшим из всех рассмотренных способов является регулирование частоты вращения изменением питающего напряжения. Однако для этого необходим источник постоянного регулируемого напряжения достаточной мощности, способный допускать перегрузку пусковым током, который всегда больше номинального тока двигателя.
В настоящее время существуют источники питания, в которых используются управляемые выпрямители, допускающие кратковременные перегрузки.
Рис. 4.17
Схема включения генератора с последовательным возбуждением изображена на рис. 4.17. Особенностью такого генератора является то, что обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря. Количество витков и сечение провода обмотки возбуждения рассчитаны на прохождение номинального тока генератора, так как (см. рис. 4.17).
0
Рис. 4.18
Для получения характеристики холостого хода и нагрузочной характеристики используют включение по схеме генератора с независимым возбуждением. У генератора с последовательным возбуждением остаются две переменные величины: напряжение на нагруз-
ке и ток якоря . Эта зависимость представляет собой внешнюю характеристику. Так как обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, то изменение напряжения на выходе генератора значительно при изменении нагрузки.
На рис. 4.18 кривая 1 представляет собой характеристику холостого хода, кривая 2 является внешней характеристикой, а кривая 3 представляет зависимость суммарного падения напряжения при изменении тока нагрузки .
Кривая 4 выражает зависимость ЭДС генератора от тока нагрузки. Разность между характеристикой холостого хода 1 и кривой 4
отражает реакцию якоря. При номинальном токе треуголь-
ник является характеристическим треугольником. Изменяя ток и изменяя пропорционально ему стороны треугольника, можно построить внешнюю характеристику.
Внешняя характеристика может быть построена также по характеристике холостого хода и характеристике полного падения напряжения.
Рис. 4.19
Изменение тока возбуждения генератора можно осуществлять с помощью регулировочного реостата, включенного параллельно с обмоткой возбуждения (рис. 4.19).
В этом случае ток обмотки возбуждения может быть получен из формулы
;
обозначив ,
имеем . Рабочую точку машины с последовательным возбуждением получают таким же образом, как это показано для генератора с параллельным возбуждением.
Для испытания генератора с независимым возбуждением монтируется электрическая цепь, схема которой представлена на рис. 4.3.
Рис. 4.3
В качестве источника механической энергии используется электрический двигатель Д, позволяющий поддерживать неизменной частоту вращения якоря генератора Г при изменении нагрузки в широких пределах. Обмотка возбуждения генератора получает питание от источника постоянного тока напряжением, равным Uв. Для изменения тока возбуждения последовательно с обмоткой ОВ включен реостат . Ток обмотки возбуждения контролируется амперметром . На зажимы якоря генератора подключен нагрузочный реостат . Напряжение и ток генератора измеряются
с помощью вольтметра и амперметра .
Генераторы с параллельным возбуждением достаточно распространены, так как не требуют специального источника для питания цепи возбуждения. В этом случае на обмотку возбуждения подается напряжение непосредственно с зажимов генератора. Однако напряжение на зажимах генератора не будет равным нулю тогда, когда магнитный поток машины не равен нулю. Но магнитный поток машины создается током возбуждения. Ток возбуждения создается напряжением на зажимах генератора. Для того, чтобы работал генератор, какая-то из этих величин не должна быть равной нулю для функционирования генератора. Это противоречие может быть разрешено за счет использования остаточного магнитного потока машины.