Машины постоянного тока Астраханский государственный технический

естественной и искусственной механических характеристик двигателя постоянного тока.
3. Задачи для

самостоятельного решения.

Продолжить

(МПТ)
Генераторы постоянного тока (ГПТ): классификация, схемы возбуждения, характеристики
Двигатели постоянного тока

(ДПТ): классификация, схемы возбуждения, характеристики

являются статор и якорь, отдалённые друг от друга воздушным зазором

(0,3…0,5 мм).

Машины постоянного тока (МПТ) являются обратимыми, т. е. они могут работать в качестве генератора (ГПТ) или двигателя (ДПТ) без изменения схемы.

Часть машины, в которой индуктируется ЭДС, принято называть якорем, а часть машины, создающей основное магнитное поле (магнитный поток) – индуктором. В машинах постоянного тока якорем является ротор, а индуктором – статор.

полюса 2 с полюсными наконечниками 3, образуя вместе с корпусом

магнитопровод машины.
Полюсные наконечники служат для равномерного распределения магнитной индукции в зазоре между полюсами статора-индуктора и якоря.
На главных полюсах расположены последовательно соединённые катушки обмотки возбуждения 4, предназначенные для создания неподвижного магнитного потока Фв машины. Концы Ш1 и Ш2 обмотки возбуждения (ОВ) выводят на клеммный щиток, расположенный на корпусе машины
Помимо основных полюсов внутри статора располагают дополнительные полюса 9 с обмотками 10, которые служат для уменьшения искрения в скользящих контактах (между щётками и коллектором).

электротехнической стали, снаружи которого имеются пазы, в которые уложена якорная

обмотка 11. Отводы обмотки якоря (ОЯ) припаивают к пластинам коллектора 6, расположенного на валу 7.
Коллектор представляет собой цилиндр из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала. К коллектору с помощью пружин прижимаются неподвижные медно-графитовые щётки 8, соединённые с клеммами Я1 и Я2 щитка.

и якоря, различают МПТ независимого возбуждения (ОВ к якорю не

подключена) и МПТ с самовозбуждением, которое подразделяется на параллельное, последовательное и смешанное.

первичного двигателя в электрическую энергию. Принцип работы ГПТ основан на

явлении электромагнитной индукции.
Если посредством первичного двигателя привести якорь машины во вращение с постоянной угловой частотой w и подать постоянное напряжение в обмотку возбуждения статора, то в каждом стержне обмотки якоря будет наводиться ЭДС
e1 = Bcplv

ЭДС якоря прямо пропорциональна произведению магнитного потока статора Фв на

частоту вращения n якоря. Если к зажимам якорной обмотки подключить приёмник R, то ЭДС якоря вызовет в цепи ток Iя = I. Напряжение на зажимах обмотки якоря

U = Eя - RяIя = СeФвn - RяIя,

где Rя и Iя - сопротивление цепи и ток якоря.

Rя = 0,5…5 Ом.

характеристиками: холостого хода,
внешней и
регулировочной.

постоянного тока, а к выводам обмотки приведенного во вращение якоря

присоединяется нагрузка R.
Под действием ЭДС якоря в цепи нагрузки возникает ток I. Проводники с током обмотки якоря находятся в магнитном поле, созданном МДС обмотки возбуждения, поэтому в соответствии с законом Ампера возникают электромагнитные силы и электромагнитный момент Mэм, направленный противоположно моменту приводного двигателя.
Таким образом, при работе машины в режиме генератора создаётся противодействующий электромагнитный момент Mэм, который должен быть преодолен первичным двигателем.

Недостатком ГПТ независимого возбуждения - потребность в постороннем источнике постоянного напряжения для создания магнитного потока Фв машины.

U на выводах генератора от тока нагрузки I при n

= const и Iв = const (U = Eя + RяIя).

Внешняя характеристика такого генератора жёсткая, т.к. напряжение U незначительно (на 6…10% от Eя при I = Iн) уменьшается с ростом тока нагрузки I из-за падения напряжения в цепи якоря и реакции якоря - воздействия магнитного поля якоря Фя, создаваемого МДС ОЯ Fя = wяIя, на основной магнитный поток Фв машины, которое вызывает искажение магнитного потока Фв статора и, в конечном итоге, уменьшение ЭДС Ея якорной обмотки.

n = const и U = const.

Она показывает, как

следует изменять ток возбуждения, чтобы поддерживать постоянным напряжение U генератора при изменении нагрузки (тока I).
Для стабилизации напряжения U необходимо соответствующим образом изменять ЭДС Ея якоря путём изменения тока Iв. Поскольку напряжение генератора снижается при увеличении нагрузки, ток возбуждения необходимо увеличивать.

в обмотках возбуждения и якоря протекает ток, обусловленный остаточной ЭДС

якоря Еяо (рис. 9.4, б). Если ОВ подключена к цепи якоря таким образом, что создаваемый её МДС магнитный поток совпадает по направлению с остаточным магнитным потоком, то ЭДС якоря (соответственно магнитный поток Фв и ток Iв обмотки возбуждения) будет возрастать. Процесс самовозбуждения ГПТ заканчивается, когда падение напряжения в ОВ становится равным ЭДС якоря, т. е. Ея = RвIв (точка А ,рис. 9.4, б). Если увеличивать сопротивление цепи ОВ (посредством реостата Rр, см. рис. 9.4, a), то точка А пересечения прямой RвIв с характеристикой Eя = f(Iв) сместиться влево (рис. 9.4, б). При достижении значения сопротивления Rвкр цепи возбуждения, называемого критическим, напряжение U на зажимах генератора будет неустойчивым, практически не превышающим ЭДС Еяо. Поэтому сопротивление цепи возбуждения Rв генератора должно быть меньше критического значения Rвкр

Характеристика холостого хода ГПТ параллельного возбуждения

I увеличивается до определённого предела, называемого критическим, Iкр = (1,5…2,5)Iн.

При дальнейшем уменьшении сопротивления R ток I уменьшается вследствие размагничивания машины (уменьшения тока возбуждения). При коротком замыкании машина будет полностью размагничена, поэтому ток короткого замыкания Iк обычно невелик (определяется небольшой остаточной ЭДС (Iк = Еяо/Rя)). Однако при внезапном коротком замыкании вследствие медленного изменения магнитного потока и ЭДС якоря ток I в переходном режиме может превысить номинальное значение в несколько раз, что может вызвать перегрев щеточно-коллекторного узла. Поэтому в цепь управления этих генераторов включают реле, которое отключает цепь якоря в случае, если ток якоря превысит установленное значение.

U = f(I), т. е. U = Ея - RяIя,

где Iя = I + Iв - ток якорной обмотки, отличается более резким падением напряжения (рис. 9.4, в) при увеличении тока I нагрузки (на 10…20% от Ея при номинальном токе Iн) по сравнению с внешней характеристикой ГПТ независимого возбуждения.

Причины падения напряжения U :      • увеличение активного падения напряжения RяIя в цепи якоря;      • реакция якоря;      • уменьшение тока возбуждения Iв = U/Rв, вызванное первыми двумя причинами, приведшими к снижению напряжения U на зажимах ОВ.

f(I) при n = const и U = const имеет

тот же вид (рис. 9.4, г), что и для ГПТ независимого возбуждения, однако проходит круче, т. к. чтобы скомпенсировать большие снижения напряжения, необходимо увеличить ток возбуждения в большей степени.

при согласном включении последовательной и параллельной обмоток их магнитные потоки

складываются, и дополнительная ЭДС, обусловленная магнитным полем последовательной обмотки, компенсирует падение напряжение в обмотке якоря и уменьшение ЭДС Ея от снижения тока возбуждения. В этом случае при изменении тока нагрузки I напряжение U остаётся практически постоянным (кривая 1, рис. 9.5, б).

на выходе генератора резко падает (кривая 2, рис. 9.5, б).

Такую вольт-амперную

характеристику, называемую крутопадающей, имеют генераторы для дуговой сварки (типа ПСО-300 и ПСГ-500), обеспечивающие постоянство тока при колебаниях сопротивления цепи вследствие изменения длины дуги.

напряжения.

закон Ампера. Для создания вращающего момента постоянное напряжение U подводится

одновременно к обмотке возбуждения ОВ (создающей магнитный поток Фв машины), и (посредством неподвижных щёток) к коллектору.
Щёточно-коллекторный узел выполняет роль механического переключателя тока, обеспечивая неизменность направления токов в проводниках ОЯ, проходящих под соответствующим магнитным полюсом (N или S) индуктора, и изменение направления токов в этих проводниках при пересечении ими геометрической нейтрали машины.

якоря Iя с магнитным потоком Фв возникает электромагнитный момент
     M

= F1Nd/2,

F1 = BcplI1

После преобразования получим

M = (pN/2a)IяФв = CMIяФв,

Вращающий электромагнитный момент прямо пропорционален произведению магнитного потока Фв на ток якоря Iя.

на валу, т. е. M > Mс, то якорь начинает

вращаться.
При вращении якоря его проводники пересекают магнитный поток Фв и согласно закону электромагнитной индукции в них индуктируется ЭДС. Суммарную ЭДС всех проводников якорной обмотки называют противоЭДС, т. к. направление ЭДС противоположно направлению тока якоря Iя. Уравнение электрического равновесия для якорной обмотки:

U = Eя + UяIя

способу возбуждения:
независимое,
параллельное (шунтовое),
последовательное (сериесное) и
смешанное (сериесно-шунтовое

или компаундное).

якоря к сети. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат

Rр, а в цепь якоря - пусковой реостат Rп.

возбуждения не зависит от тока якоря Iя.
Ток якоря
Iя

= (U - Eя)/Rя = (U - CEФвн)/Rя,

В начальный момент пуска ДПТ частота вращения якоря n = 0, поэтому противоЭДС Ея = 0.

как следствие, возникающий рывок или удар на валу и искрение

в контактах щётки -коллектор, последовательно с якорем включают пусковой реостат Rп.
Сопротивление Rп рассчитывают из условия, чтобы пусковой ток

     Iяп = U/(Rя + Rп) < (2...2,5)Iян,

При этом двигатель развивает достаточно большой пусковой момент

Мп = (2…4)Мн

Это обеспечивает быстрый разгон ДПТ. По мере разгона двигателя ЭДС якоря Ея увеличивается и сопротивление пускового реостата необходимо уменьшить до нуля, т. е. при n = nн, Rn = 0.

скоростной n(Iя) или механической n(M) характеристиками.

Скоростная характеристика представляет зависимость

частоты вращения n от тока якоря Iя при U = const и Iв = const.
Уравнение естественной скоростной характеристики

n = (U - RяIя)/(CЕФв) = (U/CЕФв) - (Rя/CЕФв)Iя

вращения якоря n от развиваемого ДПТ момента М = Мс

при условии постоянства напряжения U сети и сопротивлений в цепи якоря и в цепи возбуждения.

     n = (U/CЕФв) - (Rя/СЕСМФв2)M = n0 - Dn,

n0 = U/CEФв - частота вращения якоря при "идеальном" холостом ходе (Мс = 0); сопротивления Rп = 0 и Rр = 0; напряжение на якоре U = Uн и магнитный поток двигателя Фв = Фвн.

Если сопротивление пускового реостата Rп > 0
(Rр = 0), получают искусственные, т. н. реостатные механические характеристики 2…4

применяют только для двигателей малой мощности (до 1 кВт), у

которых сопротивление якорной цепи относительно велико и обмотка якоря не успевает нагреться.

для получения максимального пускового момента при допустимом пусковом токе регулировочный

реостат в обмотке возбуждения полностью выводят (Rр = 0) (при этом магнитный поток Фв имеет максимальное значение), а рукоятку переключателя пускового реостата устанавливают в положение, при котором сопротивление Rп имеет максимальное значение. В начальный период пуск осуществляется по реостатной характеристике 4 при этом двигатель развивает максимальный пусковой момент.

двигателя осуществляется по отдельным отрезкам реостатных характеристик 4, 3 и

2.
При полностью выведенном сопротивлении Rп и достижении значения М = Мн частота вращения n якоря устанавливается на естественной мехaнической характеристике 1 (точка А).

значительные потерь энергии) становится неэффективным. В этом случае применяют безреостатный

пуск при пониженном напряжении, подводимом к цепи якоря. Получаемые (при условии, что Rп = 0 и Rр = 0) искусственные механические характеристики имеют вид 2 и 3 (рис. 9.6, г) и проходят параллельно естественной 1 и тем ниже, чем меньше величина напряжения U.

его магнитный поток Фв. При этом будет изменяться и частота

вращения n. При номинальном напряжении на якоре (Rп = 0) и уменьшении магнитного потока (Rр > 0) механические характеристики имеют вид 4 и 5 (рис. 9.6, г) и проходят тем выше естественной 1 и круче её, чем меньше магнитный поток.

якоря
     n = U/(CEФв) - ((Rя + Rn)/(CECMФв2))M = n0

- Δn

можно регулировать тремя способами:      • реостатным - изменением сопротивления цепи якоря (Rя+ Rп = var);      • полюсным - изменением магнитного потока полюсов (Rв + Rр = var);      • якорным - изменением напряжения, подводимого к якорю (U = var).

якоря,

или в обмотке возбуждения.

зависимости потребляемой мощности P1, тока Iя, частоты вращения n, мoмента

M и КПД h от отдаваемой мощности P2 на валу двигателя при U = const и Iв = const.

линейными, а зависимости P1 = f(P2), Iя = f(P2) и

η= f(P2) имеют характер , общий для всех электрических машин.
Механические и рабочие характеристики двигателей независимого возбуждения аналогичны характеристикам ДПТ параллельного возбуждения, т. к. у них ток возбуждения Iв также не зависит от тока якоря Iя.

9.8, a) ток возбуждения Iв = Iя = I, поэтому

магнитный поток Фв является функцией тока якоря Iя.

токе якоря Iя < (0,8…0,9)Iян, когда магнитная система машины не

насыщена, Фв = kфIя. При дальнейшем возрастании тока якоря поток Фв растёт медленнее, чем ток Iя, и при больших нагрузках (Iя > Iян) можно считать, что Фв » const. В соответствии с этим изменяются зависимости n = f(Iя) и M = f(Iя). При токе якоря Iя < (0,8…0,9)Iян частота вращения

в бoльшей степени по сравнению с частотой вращения ДПТ параллельного

возбуждения (см. участок аb кривой 1, рис. 9.8, б), т. е. ДПТ последовательного возбуждения имеет более мягкую механическую характеристику. Зависимость M = f(Iя) на участке аb (рис. 9,8, в) параболического типа, что создаёт большой пусковой момент при разгоне механизма.

возрастает, как говорят - двигатель идёт в "разнос", что опасно

с точки зрения механической прочности якоря. В виду этого нельзя допускать работу ДПТ последовательного возбуждения при ХХ и при малых нагрузках.

При пуске с реостатом Rп, ограничивающим пусковой ток и момент до допустимых значений Iп и Mп, характеристика n = f(М) проходит ниже характеристики 1 (см. кривую 2, рис. 9.8, б).

различных электрических приводах, особенно там, где имеет место изменение нагрузочного

момента Мс в широких пределах и тяжелые условия пуска (грузоподъёмные и поворотные механизмы, тяговый привод и др.).

магнитный поток создаётся в результате совместного действия МДС двух
обмоток

- параллельной и последовательной

располагается между характеристиками ДПТ последовательного (кривая 2) и параллельного (кривая

3) возбуждения. В зависимости от соотношения МДС последовательной и параллельной обмоток возбуждения характеристики n = f(М) и M = f(Iя) ДПТ смешанного возбуждения при номинальном режиме можно приблизить к характеристике 2 (при малой МДС параллельной обмотки) или к характеристике 3 (при малой МДС последовательной обмотки).

Одним из достоинств ДПТ смешанного возбуждения является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой при небольших нагрузках на валу, может работать при холостом ходе, т. к. его частота вращения n0 при ХХ имеет

кВт
Uном=220В
nном=1500 об/мин
ηном=80,8%
Rя=0,83 Ом
Rв=440 Ом

Электродвигатель работает с номинальным током возбуждения.

вращения его при моменте на валу, равном 0,5Мном.

2. Определить пусковой

ток якоря при прямом включении двигателя на номинальное напряжение.

3. Рассчитать величину добавочного сопротивления в цепи якоря, обеспечивающую пуск двигателя при токе якоря 2,5 Iя ном.

4. Построить искусственную механическую характеристику при включении последовательно с обмоткой якоря добавочного сопротивления Rр=2Rя.

5. Определить по искусственной механической характеристике частоту вращения ротора при моменте на валу, равном 0,5Мном.

Механическими потерями в двигателе пренебречь.

сети
Р1ном=Рном/ƞном=2400/0,808=2970 Вт

Номинальный момент



Номинальный ток, потребляемый из сети
Iном=Р1ном/Uном=2970/220=13,5 А

Номинальный ток возбуждения
Iв

ном=Uном/Rв=220/440=0,5 А

Номинальный ток якоря
Iя ном=Iном-Iв ном=13,5-0,5=13 А

Номинальная противо-ЭДС
Еном=Uном-RяIя ном=220-0,83·13=209,2 В

двум точкам:
точке, характеризующей режим идеального холостого хода, с координатами nх,

М=0
и точке номинального режима с координатами
nном=1500 об/мин, Мном=15,29 Н·м.

Из четырех точек неизвестна nх.

об/мин

момент n=0, Епр=СЕnФ=о
Пусковой ток якоря
Iя п=Uном/Rя=220/0,83=265,1 А

3. При пуске с

пусковым реостатом
Iя п=Uном/(Rя+Rп)

По условию Iя п=2,5 Iя ном=2,5·13=32,5 А

следовательно
Rя=Rя ном+Rр=3Rя ном=3·0,83=2,49 Ом.

Значения режима холостого хода nх=1573,4 об/мин,

М=0.

При номинальном режиме работы Мном=15,29 Н·м

Мном)=(nх+nном)/2=(1573,4+1345,3)/2=1459,35 об/мин

двигателя. Определить частоту вращения его при моменте на валу, равном

0,5Мном.

2. Определить пусковой ток якоря при прямом включении двигателя на номинальное напряжение.

3. Рассчитать величину добавочного сопротивления в цепи якоря, обеспечивающую пуск двигателя при токе якоря 2,5 Iя ном.

4. Построить искусственную механическую характеристику при включении последовательно с обмоткой якоря добавочного сопротивления Rд=2Rя.

5. Определить по искусственной механической характеристике частоту вращения ротора при моменте на валу, равном 0,5Мном.

Механическими потерями в двигателе пренебречь.