Національний гірничий університет — відповідність Часу
Назад к §14 Электротехника и электроника Далее к главе 5



§ 15. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Машины постоянного тока используют в качестве двигателей и генераторов. Двигатель и генератор постоянного тока имеют одинаковое устройство.

Генераторы применяются для питания электродвигателей в специальных системах электроприводов, установок электролиза, для зарядки аккумуляторов, для сварочных работ на постоянном токе. Двигатели — для привода механизмов, требующих больших пусковых моментов, широкого и плавного регулирования частоты вращения (транспорт, подъемные устройства, станки). Использование их в приводах позволяет существенно упростить систему регулирования скорости. Определяющим для использования двигателя имеет вид его механической характеристики.

Промышленностью выпускаются двигатели постоянного тока обычной конструкции в диапазоне мощностей 0,3 — 200 кВт.

Устройство. Рассмотрим устройство (рис. 69) машины постоянного тока с одной парой полюсов (р=1). Число полюсов может быть и больше, но это всегда четное число, т. е. 2р.

На внутренней цилиндрической поверхности стального корпуса — станины 6 статора укреплены полюсы 4 с обмотками возбуждения 5. Эти обмотки питаются постоянным током и создают магнитный поток, который замыкается через станину, сердечники полюсов, воздушные зазоры и сталь якоря 3. С торцов корпус закрыт подшипниковыми щитами 7 и 10.

На роторе расположены якорь 3 с коллектором 1 и вентилятор 8 для охлаждения машины. Якорь представляет собой цилиндрический сердечник, в пазах которого уложены и закреплены медные проводники. Эти проводники, соединенные в определенном порядке, образуют замкнутую обмотку 9 якоря.

►   Сердечники якоря и полюсов набирают из листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи и перемагничивание.

Коллектор имеет форму цилиндра и состоит из медных пластин, изолированных между собой и от вала. К каждой из пластин присоединены начала проводников обмотки якоря. Обмотка якоря с внешней цепью связана через щетки 2 (угольные, графитные и др.), которые пружинами плотно прижаты к коллектору. Щеткодержатели крепятся на подшипниковом щите машины 10.

Принцип действия. В проводниках обмотки якоря при их перемещении в магнитном поле наводятся эдс, которые составляют суммарную эдс машины.

Рис. 69. Устройство машины постоянного тока:

1 — коллектор; 2—щетки; 3 — сердечник якоря; 4 — главный полюс; 5 — полюсная катушка обмотки возбуждения; 6 — станина; 7, 10—подшипниковые шиты; 8 — вентилятор; 9 — обмотка якоря

►   Эдс, индуцируемые в отдельных проводниках обмотки якоря, прямо пропорциональны индукции магнитного поля и скорости их перемещения в этом поле. Вследствие этого и суммарная эдс Е машины прямо пропорциональна частоте вращения ротора n и магнитному потоку Ф:

где СЕ — постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных данных машины.

В проводниках обмотки якоря протекают токи. При этом щеточно-коллекторный узел выполняет роль механического выпрямителя, обеспечивая необходимое направление тока в проводниках обмотки якоря. На каждый проводник с током, пересекающий магнитное поле, действует сила тем большая, чем больше ток и чем сильнее магнитное поле. Силы, действующие на все проводники обмотки якоря, создают суммарный электромагнитный вращающий момент М, который прямо пропорционален току якоря Iя и магнитному потоку Ф:

где См — постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных данных машины.

Особенности работы машин постоянного тока. При прохождении тока в скользящем контакте щеток с коллектором возможно искрение. Оно нежелательно, поскольку разрушает коллектор и щетки. Искрение может быть связано с неровностями поверхности коллектора, плохим закреплением щеток, неправильным выбором давления на щетку и т. д. Поэтому требуется периодическая проточка, шлифовка коллектора и другие меры для поддержания хорошего качества скользящего контакта.

►   Искрение возрастает (коммутация ухудшается) с у ее личением тока якоря и частоты его вращения.

►   Ток якоря создает собственный магнитный поток, который искажает и даже уменьшает магнитный поток машины. Это явление называется реакцией якоря.

Рис. 70. Схема включения обмотки добавочных полюсов

Из-за реакции якоря снижается эдс машины и ухудшаются условия работы коллектора — усиливается искрение под щетками.

Для улучшения коммутации между основными полюсами 1 устанавливают дополнительные полюса 2 (рис. 70), токи обмоток которых создают в зоне коммутации магнитный поток, противоположный магнитному потоку якоря.

Для полной компенсации реакции якоря в машинах может быть специальная компенсационная обмотка, которую укладывают в пазах основных полюсных наконечников 3. Поток, создаваемый этой обмоткой, направлен противоположно потоку обмотки якоря.

►   Обмотки дополнительных полюсов и компенсационные обмотки включают последовательно с обмоткой якоря, с тем, чтобы с увеличением тока якоря увеличивалось и их компенсирующее действие.

В машинах постоянного тока для создания магнитного потока используется электромагнитное возбуждение. Возбуждение от постоянных магнитов встречается только в микромашинах.

Рис. 71. Схемы возбуждения машин постоянного тока

В зависимости от способа включения обмоток возбуждения ОВ (рис. 71) относительно обмоток якоря машины постоянного тока подразделяют на машины независимого (рис. 71, а), параллельного (рис. 71, б), последовательного (рис. 71, в), смешанного (рис. 71, г) возбуждения.

Генераторы. В генераторном режиме работы ротор машины приводится во вращение первичным двигателем (обычно асинхронным), а цепь обмотки якоря замкнута на нагрузку. Эдс машины Е вызывает ток в нагрузке. Напряжение на зажимах генератора меньше этой эдс из-за падения напряжения в цепи обмотки якоря и в обмотках, включенных последовательно с ней, а также из-за реакции якоря.

►   Электромагнитный момент в генераторном режиме направлен в сторону, противоположную вращению ротора, т. е. является тормозным.

Чем больше нагрузка генератора (чем больше ток Iя), тем больший тормозной момент М приходится преодолевать первичному двигателю генератора. Полная преоб разуемая генератором электромагнитная мощность

где =n/30 — угловая скорость вращения ротора.

►   Большой практический интерес представляет внешняя характеристика генератора, которая показывает, как меняется выходное напряжение генератора U при увеличении тока I через нагрузку.

Причин для изменения напряжения две: падение напряжения внутри генератора и изменение эдс за счет реакции якоря и изменения тока возбуждения. На рис. 72 представлены внешние характеристики генераторов различного возбуждения.

Для генераторов независимого и параллельного возбуждения (кривые 1 и 2) напряжение снижается при увеличении нагрузки, причем для генератора параллельного возбуждения в большей степени, так как при его нагрузке уменьшается и ток возбуждения.

При постепенном уменьшении сопротивления нагрузки до нуля ток Iк короткого замыкания генератора параллельного возбуждения невелик, так как напряжение на обмотке возбуждения становится равным нулю и эдс определяется только потоком остаточного намагничивания.

При мгновенном коротком замыкании ток велик, так как эдс машины в первый момент не успевает измениться.

Генераторы последовательного возбуждения применяют редко. Для них характерно увеличение напряжения при увеличении нагрузки, поскольку при этом возрастает ток возбуждения (кривая 3).

Рис. 72. Внешние характеристики генераторов

►   Вид внешней характеристики генератора смешанного возбуждения зависит от способа включения обмоток.

При их согласном включении магнитные потоки, создаваемые обмотками, складываются, поэтому при увеличении нагрузки магнитный поток машины возрастает и увеличивается эдс (кривая 4). Напряжение с ростом нагрузки может даже несколько возрасти.

При встречном включении обмоток внешняя характеристика имеет резко падающий характер (кривая 5), так как при увеличении нагрузки ток последовательной обмотки создает магнитный поток, противоположный потоку параллельной обмотки. Такую внешнюю характеристику имеет сварочный генератор, для которого режим короткого замыкания является эксплуатационным.

►   Напряжение генераторов регулируют изменением тока в обмотке возбуждения.

Мощность, затрачиваемая на возбуждение, относительно невелика (1—5% от номинальной мощности машины), что позволяет экономично регулировать напряжение. Уровень напряжения генераторов обычно поддерживается с помощью автоматических регуляторов.

Двигатели. В двигательном режиме работы цепь якоря машины подключена к сети постоянного тока с напряжением U. В цепи якоря протекает ток Iя. При взаимодействии его с потоком обмотки возбуждения возникает электромагнитный вращающий момент М, который преодолевает момент сопротивления со стороны механизма, приводимого в движение. Эдс Е двигателя направлена противоположно приложенному напряжению U:

►   Машина потребляет энергию из сети. Чем больше момент двигателя, тем больший он потребляет ток.

Полная преобразуемая в двигателе электромагнитная мощность

где  — угловая скорость вращения ротора.

Пуск двигателей сопровождается большим током, протекающим через обмотку якоря. Поэтому без пусковых реостатов (добавочных сопротивлений Rдо6 в цепи якоря) во избежание аварии пускают лишь двигатели мощностью до 1 кВт. Большой пусковой ток возникает потому, что сопротивление в цепи якоря Rя невелико, подаваемое напряжение U номинальное, а эдс Е, которая в рабочем режиме уравновешивает большую часть приложенного напряжения, в момент пуска равна нулю. Ток в цепи якоря

С увеличением частоты вращения якоря возрастает эдс Е, а ток Iя снижается.

Сопротивление Rдоб обычно соответствует нескольким ступеням пускового реостата, которые в первый момент вводят полностью и по мере запуска последовательно одну за другой отключают с таким расчетом, чтобы ток двигателя при пуске не превышал допустимого значения.

►   Среди всех электродвигателей двигатели постоянного тока имеют лучшие пусковые свойства. При относительно небольшом пусковом токе (2÷2,5)Iн они могут создавать достаточно большой пусковой момент (2,5÷4)Мн

Реверс (изменение направления вращения) двигателя можно осуществить, изменив направление вращающего момента М. Так как М=СмФIя, то знак момента изменится, если изменить либо направление тока в обмотке якоря, либо направление магнитного потока. Обычно для реверса изменяют полярность напряжения на обмотке якоря, т. е. направление тока в обмотке якоря.

Из характеристик двигателя наибольшее практическое значение имеет механическая характеристика, которая показывает, как меняется частота вращения ротора при изменении момента М на валу.

Механическая характеристика, полученная при номинальных значениях напряжения питания и отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря, называется естественной.

На рис. 73 представлены механические характеристики двигателей с различным возбуждением, причем кривая 1 на всех рисунках — естественная характеристика, а кривая 2искусственная, полученная при включении добавочного сопротивления в цепь якоря двигателя.

Для двигателей независимого и параллельного возбуждения механическая характеристика линейна (рис. 73, а). Идеальному холостому ходу (М=0) соответствует частота вращения n0. При увеличении момента частота вращения уменьшается. Если это снижение скорости незначительно (n), то характеристика называется жесткой (кривая 1). Чем больше сопротивление в цепи якоря, тем «мягче» характеристика (кривая 2), тем больше изменение частоты вращения (n).

Двигатель последовательного возбуждения имеет мягкую механическую характеристику (рис. 73, б), так как при увеличении момента М и возрастании тока якоря возрастает магнитный поток Ф, и частота вращения двигателя снижается.

►   Характерной особенностью двигателя последовательного возбуждения является резкое увеличение частоты вращения при снижении нагрузки.

Рис. 73. Механические характеристики двигателей постоянного тока с различным возбуждением:

1 — естественная; 2 — искусственная

При малых нагрузках частота может достичь недопустимо больших значений. Чтобы этого не случилось, на валу двигателя должна быть нагрузка не менее 25 % от номинальной.

Механическая характеристика двигателя смешанного возбуждения (рис. 73, в) занимает среднее положение между характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения. Характеристика мягкая, но из-за наличия параллельной обмотки частота вращения на холостом ходу ограничена.

►   Частоту вращения двигателя n можно регулировать тремя способами; изменением напряжения, подаваемого на обмотку якоря, изменением магнитного потока и включением добавочного сопротивления в цепь якоря.

На рис. 74 для двигателя независимого возбуждения даны естественная механическая характеристика (1) и искусственные (2, 3, 4), соответствующие указанным трем способам регулирования частоты вращения n. Положение рабочей точки на всех характеристиках взято при моменте сопротивления Мсн.

Рис. 74. К регулированию частоты вращения двигателя независимого возбуждения

При понижении напряжения U на якоре (кривая 2) n снижается, а жесткость характеристики сохраняется. При уменьшении магнитного потока Ф возрастает n, при введении в цепь якоря добавочного сопротивления Rдоб снижается n, и в обоих случаях характеристика будет «мягче». Метод регулирования n введением Rдоб неэкономичен, что ограничивает его применение. Два других способа применяют чаще.

►   Регулирование частоты вращения двигателей последовательного возбуждения можно производить: включением Rдоб (рис. 75, а), переключением однотипных двигателей с параллельного включения на последовательное (рис. 75, б), шунтированием обмотки якоря и обмотки возбуждения (рис. 75, в), секционированием обмотки возбуждения (рис. 75, г).

Рис. 75. Схемы для регулирования частоты вращения двигателя последовательного возбуждения

Потери мощности в машинах постоянного тока слагаются из: потерь в стали (на гистерезис и вихревые токи в магнитной цепи машины), электрических потерь (в обмотках якоря и возбуждения, щеточном контакте) и механических потерь (трения щеток о коллектор, в подшипниках, вращающихся частей о воздух).

Примерно 50 % всех потерь в номинальном режиме составляют электрические потери в якоре. Кпд двигателей обычно равен 75—97 %. Большие значения кпд у более мощных электрических машин.

Микродвигатели постоянного тока применяют в качестве исполнительных для вращения механизмов.

Микродвигатели с якорем обычного типа могут иметь электромагнитное возбуждение и возбуждение от постоянного магнита.

Микродвигатели с полым якорем выполняют с якорем в виде полого стакана, расположенного между полюсами и неподвижным ферромагнитным сердечником. Такие двигатели малоинерционны.

В микродвигателях с печатной обмоткой якоря обмотка нанесена электрохимическим способом на тонкий диск (или поверхность полого цилиндрического якоря) из немагнитного материала. Они малоинерционны, бесшумны в работе, технологичны по конструкции.

Мощности микродвигателей составляют от долей ватта до нескольких киловатт.

Тахогенераторы постоянного тока выполняют с постоянными магнитами на статоре или с электромагнитным возбуждением от независимого источника постоянного тока.

Электромашинные усилители представляют собой специальные электрические генераторы, выходная мощность которых может изменяться в широких пределах путем изменения мощности управления. Отношение выходной мощности к мощности управления, т. е. коэффициент усиления по мощности, может достигать нескольких тысяч или даже десятков тысяч. Промышленностью выпускаются такие усилители на мощности от нескольких сотен ватт до десятков киловатт.

Универсальные коллекторные машины. Принципиально любой двигатель постоянного тока может работать от сети переменного тока, так как вращающий момент не меняет направления при одновременном изменении направления тока в якоре и магнитного потока полюсов.

Однако в двигателе параллельного возбуждения ток в якоре и магнитный моток сдвигаются по фазе почти на четверть периода из-за большой индуктивности обмотки возбуждения. Вращающий момент оказывается слишком малым.

Рис. 76. Принципиальная схема универсального коллекторного двигателя

В двигателе же последовательного возбуждения ток в якоре является одновременно и током возбуждения, поэтому универсальный коллекторный двигатель принципиально устроен так же, как двигатель последовательного возбуждения (рис. 76).

Универсальные коллекторные двигатели малой мощности широко применяют для привода бытовых приборов и автоматических устройств в тех случаях, когда требуется частота вращения больше 3000 об/мин при питании от сети 50 Гц, плавное регулирование частоты вращения в широких пределах или большой пусковой момент. Так, для пылесосов требуются скорости вращения 12 000—16 000 об/мин, для швейных машин — плавное регулирование скорости.

 

 

 

1. Что такое коэффициент трансформации и как его определить?

2. Как соединяют обмотки трехфазных трансформаторов?

3. Каковы потери в трансформаторах? Как определяется кпд трансформатора?

4. Как устроены автотрансформаторы? В чем их преимущество?

5. Как регулируется скорость асинхронных двигателей?

6. Как произвести реверс асинхронного двигателя?

7. Как увеличить активную и реактивную мощность синхронного генератора?

8. В чем принципиальная разница между генераторным и двигательным режимом работы машины?

9. Почему велик пусковой ток двигателя постоянного тока?

10. Как реверсируют двигатель постоянного тока?

 

1. Как изменится пусковой ток асинхронного двигателя при снижении питающего напряжения на 5, 10, 29 %? Как изменится в этих же условиях пусковой момент двигателя?

2. Как изменится вид механической характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением, если снизить напряжение на якоре двигателя и одновременно включить последовательно в цепь якоря добавочное сопротивление?

3. С какой частотой вращается магнитное поле в трехфазном асинхронном двигателе, имеющем 1, 2, 3, 4 пары полюсов на фазу? (Частота питающей сети 50 Гц.)

4. Изменится ли направление вращения ротора двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением при изменении полярности напряжения питающей сети?

5. Основную часть нагрузки цеховой сети составляют асинхронные двигатели. Как изменится соs цеховой сети при подключении к ней перевозбужденных синхронных двигателей?

 

 

 




Назад к §14 Электротехника и электроника Далее к главе 5


© 2006-2017 НГУ Інформація про сайт