Реверс по цепи возбуждения машин постоянного тока независимого возбуждения

СОДЕРЖАНИЕ:

Способы возбуждения машин постоянного тока

Работа и свойства электрических машин постоянного тока (как генераторов, так и двигателей) в значительной степени зависят от способа возбуждения в них магнитного потока. Действительно, магнитный поток входит множителем как в выражение ЭДС, так и в выражение электромагнитного момента, поэтому необходимо знать, как создается магнитный поток, от каких величин он зависит, как и для какой цели нужно изменять его значение.
Согласно ГОСТов, по способу возбуждения машины постоянного тока классифицируют следующим образом:
а) машины независимого возбуждения, обмотка возбуждения которых питается от постороннего источника электрического тока;
б) машины параллельного возбуждения, обмотка возбуждения которых соединена параллельно с цепью якоря;
в) машины последовательного возбуждения, обмотка возбуждения которых соединена последовательно с цепью якоря;
г) машины смешанного возбуждения, у которых имеются две обмотки возбуждения, одна из которых соединена последовательно с цепью якоря (другая — может быть либо независимой, либо, чаще, параллельной). Если МДС обмоток возбуждения имеют одно направление, то такое их включение называется согласным. Если же МДС обмоток направлены в разные стороны, то включение называется встречным.
Схемы всех четырех типов машин показаны соответственно на рис. 1.
Все эти электрические машины имеют одинаковое устройство и отличаются лишь выполнением обмотки возбуждения (ОВ). Обмотки независимого и параллельного возбуждения изготавливают с большим числом витков, из провода малого сечения, а обмотку последовательного возбуждения — с малым числом витков из провода большого сечения.
Существуют также машины небольшой мощности, магнитное поле у которых создается либо только постоянными магнитами, либо еще и обмотками возбуждения, питаемыми электрическим током. Свойства первых близки к свойствам машин независимого, а вторых — смешанного или независимого возбуждения (в зависимости от способа подключения обмотки возбуждения).

Рис. 1. Схемы электрических машин постоянного тока независимого (а), параллельного (6), последовательного (в) и смешанного (г)
возбуждений

Во всех машинах на возбуждение расходуется от 0,5 % до 5 % номинальной мощности машины, причем первое значение относится к очень мощным машинам, а второе — к машинам мощностью около 1 кВт.
Как видно из рис. 1, значение тока возбуждения /в машины независимого возбуждения не зависит от тока якоря и определяется напряжением источника питания, причем для регулирования тока /в последовательно в цепь обмотки возбуждения включают резистор.
У машины параллельного возбуждения, согласно закону Ома,
/в = Ur/(RB + Rр), (1)
где RB — сопротивление обмотки возбуждения, a Rp — последовательно с нею включаемого регулировочного резистора.
У машин последовательного возбуждения /в = /я.
Согласно ГОСТ 2582—81, выводы всех обмоток маркируются следующим образом:
Я1 и Я2 — начало и конец обмотки якоря;
С1 и С2 — начало и конец последовательной (сериесной) обмотки возбуждения;
Ш1 и Ш2 — начало и конец параллельной (шунтовой) обмотки возбуждения;
К1 и К2 — начало и конец компенсационной обмотки;
Н1 и Н2 — начало и конец обмотки независимого возбуждения;
Д1 и Д2 — начало и конец обмотки добавочных полюсов.
Возможны случаи, когда машина имеет несколько обмоток одного наименования. В этом случае их начала и концы после буквенных обозначений должны иметь две цифры:
первая указывает порядковый номер обмотки, a вторая,, — начало (1) или конец (2). Например, начало второй параллельной обмотки возбуждения будет иметь обозначение Ш21.

Реверс по цепи возбуждения машин постоянного тока независимого возбуждения

Все рабочие характеристики двигателя постоянного тока, как и генератора, зависят от способа включения цепи возбуждения по отношению к цепи якоря. Соединение этих цепей может быть параллельным, последовательным, смешанным и, наконец, они могут быть независимы друг от друга.

Двигатели с параллельным возбуждением.

Здесь обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены параллельно. Обмотка возбуждения имеет большее количество витков, чем обмотка якоря, поэтому ток обмотки возбуждения в большинстве случаев составляет несколько процентов от тока якоря. В цепь обмотки возбуждения может включаться регулировочный реостат. В цепь якоря включается пусковой реостат ПР.

Двигатель с независимым возбуждением.

Если обмотку возбуждения подключить к другому источнику постоянного напряжения, то получим двигатель с независимым возбуждением. Такими же свойствами обладают электродвигатели с постоянным магнитом.

Скоростная характеристика двигателей с независимым и параллельным возбуждением – это зависимость n = f ( I я ) при U = const и I е = const , где

I е — ток возбуждения.

Рис.8.5.4. Скоростная характеристика.

Изменение скорости вращения может происходить за счёт изменения нагрузки и магнитного потока. Увеличение тока нагрузки незначительно изменяет внутреннее падение напряжения из-за малого сопротивления цепи якоря и поэтому лишь незначительно уменьшает скорость вращения двигателя. Что же касается магнитного потока, то вследствие реакции якоря при увеличении тока нагрузки он несколько уменьшается, что приводит к незначительному увеличению скорости двигателя. Таким образом, скорость вращения двигателя с параллельным возбуждением изменяется очень мало. Скорость вращения двигателя определяется формулой:

n = (U – I яR я) / c ∙Φ , где

c – коэффициент, зависящий от устройства машины.

Скорость вращения двигателя с независимым возбуждением можно регулировать либо изменением сопротивления в цепи якоря, либо изменением магнитного потока. Следует отметить, что чрезмерное уменьшение тока возбуждения и, особенно, случайный обрыв этой цепи очень опасны для двигателей с параллельным и независимым возбуждением, т.к. ток в якоре может возрасти до недопустимо больших значений. При небольшой нагрузке (или на холостом ходу) скорость может настолько возрасти, что станет опасной для целостности двигателя.

Двигатель с последовательным возбуждением.

У такого двигателя ток якоря является одновременно и током возбуждения, т.к. обмотка возбуждения включена последовательно с якорем. По этой причине магнитный поток двигателя изменяется с изменением нагрузки. Скорость двигателя :

n =[ U – I я (R я + R в)] / c ∙Φ , где

R я – сопротивление якоря

R в – сопротивление обмотки возбуждения.

Скоростная характеристика двигателя посл. возбуждения.

На этом графике представлена скоростная характеристика двигателя последовательного возбуждения.

Из этой характеристики видно, что скорость двигателя сильно зависит от нагрузки. При увеличении нагрузки увеличивается падение на сопротивлении обмоток при одновременном увеличении магнитного потока, что приводит к значительному уменьшению скорости вращения. Поэтому такие двигатели не следует пускать вхолостую или с малой нагрузкой. Двигатели с последовательным возбуждением применяют в тех случаях, когда необходим большой пусковой момент или способность выдерживать кратковременные перегрузки. Они используются в качестве тяговых двигателей в трамваях, троллейбусах, метро и электровозах, а также на подъёмных кранах и для пуска двигателей внутреннего сгорания (стартеры).

Двигатель со смешанным возбуждением.

На каждом полюсе такого двигателя имеются две обмотки – параллельная и последовательная. Их можно включить так, чтобы магнитные потоки складывались (согласное включение) или вычитались (встречное включение). Формулы для скорости вращения и вращающего момента для такого двигателя:

n = (U – I я ∙ R я ) / c∙( Φ парал. +/- Φ посл.)

М = c ∙ I я ∙ (Φ парал. +/- Φ посл.)

В зависимости от соотношения магнитных потоков двигатель со смешанным возбуждением по своим свойствам приближается либо к двигателю с последовательным возбуждением, либо к двигателю с параллельным возбуждением. Как правило, у таких двигателей последовательная обмотка является главной (рабочей), а параллельная – вспомогательной. Благодаря наличию магнитного потока параллельной обмотки, скорость такого двигателя не может сильно возрастать на малых нагрузках. Двигатели с согласным включением применяются, когда необходим большой пусковой момент и регулировка скорости при переменных нагрузках. Двигатели со встречным включением обмоток применяются в тех случаях, когда необходима постоянная скорость при изменяющейся нагрузке.

Для изменения направления вращения двигателя постоянного тока надо изменить направление тока либо в обмотке возбуждения, либо в обмотке якоря. Изменением полярности на клеммах машины можно поменять направление вращения только в двигателе с постоянным магнитом или независимым возбуждением. В других двигателях надо изменить направление тока либо в якорной обмотке, либо в обмотке возбуждения. Двигатель постоянного тока нельзя включать подсоединением полного напряжения. Пусковой ток машин постоянного тока где-то в 20 раз превышает номинальный ток (он тем больше, чем больше и быстрее мотор). В больших машинах пусковой ток может превышать номинальный ток в 50 раз.

Большой ток вызывает в коллекторе круговое искрение и разрушает коллектор. Для включения применяют плавное увеличение напряжения или пусковые реостаты. Прямое включение допускается при низких напряжениях в случае маленьких двигателей, у которых сопротивление обмотки якоря большое.

Реверс по цепи возбуждения машин постоянного тока независимого возбуждения

Глава 15. Трансформаторы на подвижном составе
15.1. Трансформаторы электроподвижного состава
15.2. Конструкция тяговых трансформаторов
15.3. Сглаживающие реакторы
15.4. Переходные реакторы
15.5. Трансформаторы и магнитные усилители

Глава 2.
ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

2.1. Основные понятия.

В зависимости от схемы включения обмотки возбуждения генераторы постоянного тока (ГПТ) с электромагнитным возбуждением подразделяют на генераторы независимого возбуждения и генераторы с самовозбуждением. В первом случае независимая (от самого генератора) обмотка возбуждения (НОВ) получает питание от постороннего источника постоянного тока (рис. 2.1, а), во втором – питание обмотки возбуждения осуществляется от самого генератора. Генераторы с самовозбуждением, в свою очередь, подразделяют на генераторы:
• параллельного возбуждения (шунтовые), у которых обмотка возбуждения (ШОВ) подключена параллельно обмотке якоря (рис. 2.1, б);
• последовательного возбуждения (сериесные), у которых обмотка возбуждения (СОВ) включена последовательно с обмоткой якоря (рис. 2.1, в);
• смешанного возбуждения (компаундные), имеющие две обмотки возбуждения, одна из которых соединена с обмоткой якоря параллельно (ШОВ), а другая – последовательно (СОВ) (рис. 2.1, г).

Рис. 2.1. Упрощенные электрические схемы генераторов постоянного тока.
независимого (а), параллельного (б), последовательного (в) и смешанного (г) возбуждения:
G – генератор; НОВ, ШОВ и СОВ – независимая, шунтовая и сериесная обмотки возбуждения соответственно;
Ег – ЭДС генератора; Uв – напряжение обмотки возбуждения

Генераторы с возбуждением постоянными магнитами не имеют обмотки возбуждения, так как их главные полюсы изготовляются в виде постоянных магнитов. При работе ГПТ в его якорной обмотке индуцируется ЭДС Ея. При подключении к генератору нагрузки в цепи якоря возникает ток, а на выводах генератора устанавливается напряжение:

Uг = Ея — IяRя (2.1)

где Rя, – сумма сопротивлений всех участков электрической цепи якоря, Ом. В общем виде это сопротивление можно представить как:

Rя = rоя + rдп + rко + rсов + rщ

т.е. оно состоит из сопротивлений обмотки якоря rоя, обмотки добавочных полюсов rдп, компенсационной обмотки rко, последовательной обмотки возбуждения rсов и переходного щеточного контакта rщ. При отсутствии в машине какой-либо из указанных обмоток соответствующие слагаемые из формулы (2.2) нужно исключить. Якорь генератора приводится во вращение первичным двигателем, который создает на валу генератора вращающий момент М1. Если генератор работает в режиме холостого хода (Iя = 0), то для вращения его якоря нужен сравнительно небольшой момент, называемый моментом холостого хода М0. Этот момент затрачивается на преодоление трения в подшипниках, трения щеток о коллектор, трения вращающихся частей о воздух. При работе нагруженного генератора в проводниках обмотки якоря появляется ток ia = Iя / 2а. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем главных полюсов машины на каждый проводник обмотки якоря действует сила:

где Вср – среднее значение магнитной индукции в воздушном зазоре, Тл; l – активная длина якоря, м. Определив по правилу левой руки направление этой силы, видим, что создаваемый ею электромагнитный момент Мэм направлен против вращающего момента первичного двигателя М1. Величина электромагнитного момента

Мэм = Fэм ND/2 = BcpliaND/2 (2.4)

где N – число активных проводников в обмотке якоря; D – наружный диаметр якоря, м. Имея в виду, что ia = Iя/2а, πD = 2рτ, а полезный магнитный поток возбуждения Ф = Bcplτ (см. рис. 1.15, а), получим:

Мэм= ВсрlN (Iя / 2а) × (2pτ / 2π) = ФIя (pN / 2aπ) (2.5)

или где см = pN / 2aπ величина, постоянная для данной машины. При неизменной частоте вращения (n = const) вращающий момент первичного двигателя М1 уравновешивается суммой противодействующих моментов: моментом холостого хода Мхх и электромагнитным моментом Мэм:

М1 = Мxx + Мэм (2.7)

Полученное выражение представляет собой уравнение моментов для генератора при n = const. Режим работы электрической машины, в котором она должна нормально функционировать в течение всего срока службы, называется номинальным режимом работы .
Этот режим характеризуется номинальными величинами: номинальной мощностью Рном, номинальным напряжением Uном, номинальным током Iном и номинальной частотой вращения nном. Номинальная мощность генератора постоянного тока представляет собой полезную электрическую мощность на выводах машины, выраженную в ваттах, киловаттах или мегаваттах. Помимо указанных величин, номинальными называются и другие величины, если они соответствуют номинальному режиму работы машины. Генераторы обычно работают при неизменной частоте вращения n, поэтому все характеристики строятся при условии n = const. Основными характеристиками генераторов являются:
• характеристика холостого хода – зависимость ЭДС на выходе генератора Ег от тока возбуждения Iв в режиме холостого хода:
Ег = f (Iв) при Iн = 0 и n = const;
• нагрузочная характеристика – зависимость напряжения на выходе генератора Uг от тока возбуждения Iв при работе с нагрузкой:
Ur = f (Iв) при Iн ≠ 0 и n = const;
• внешняя характеристика – зависимость напряжения на выходе генератора Uv от тока нагрузки Iн:
Uг = f (Iн) при Rрг = const и n = const;
• регулировочная характеристика – зависимость тока возбуждения Iв от тока нагрузки Iн при неизменном напряжении на выходе генератора:
Iв = f (Iн) при Uг = const и n = const.

2.2. Генератор независимого возбуждения.

Схема включения генератора независимого возбуждения показана на рис. 2.2. Ток Iв в обмотке возбуждения, а следовательно, и величина основного магнитного потока машины регулируются реостатом Rpг, включенным в цепь обмотки возбуждения, питаемой от внешнего источника постоянного тока. Это может быть аккумулятор, выпрямитель или другой генератор постоянного тока, называемый в этом случае возбудителем.
При снятии характеристики холостого хода Ег = f (Iв) генератор работает с разомкнутой цепью нагрузки (Iн = 0). Установив номинальную частоту вращения и поддерживая ее неизменной в течение всего опыта, постепенно увеличивают ток Iв в обмотке возбуждения от нуля до значения Iв = Iв max, при котором напряжение холостого хода Uг = 1,15 Uном.
Прямолинейная часть характеристики соответствует ненасыщенной магнитной системе машины. При дальнейшем увеличении тока Iв магнитная система машины насыщается, и характеристика приобретает криволинейный характер.
Характеристика холостого хода Ег = f (Iв) совпадает по форме с характеристикой намагничивания (см. рис. 1.17) и позволяет судить о магнитных свойствах машины.
Нагрузочная характеристика генератора выражает зависимость напряжения Ur на выводах генератора от тока возбуждения Iв при неизменном токе нагрузки Iн, например номинальном, и номинальной частоте вращения. При указанных условиях напряжение на выводах генератора Uг меньше его ЭДС Е1, поэтому нагрузочная характеристика располагается ниже характеристики холостого хода. Уменьшение Uг при наличии нагрузки объясняется двумя причинами: падением напряжения в цепи якоря (см. формулу (2.1) и размагничивающим влиянием якоря.

Рис. 2.2. Схема включения генератора независимого возбуждения.
Rн — сопротивление нагрузки.

Измерив суммарную величину активного сопротивления цепи обмотки якоря Rя и подсчитав падение напряжения IяRя можно определить ЭДС генератора при заданном токе нагрузки:

Ег = Uг + IяRя (2.8)

Внешняя характеристика генератора представляет собой зависимость напряжения Uг на выводах генератора от тока нагрузки Iн. При снятии данных для построения внешней характеристики устанавливают номинальную частоту вращения генератора и увеличивают ток нагрузки до номинального значения при номинальном напряжении. Затем, постепенно уменьшая нагрузку до нуля (Iн = 0), снимают показания приборов. Сопротивление цепи возбуждения Rpг и частоту вращения в течение опыта поддерживают неизменными. Внешняя характеристика генератора отражает изменение тока возбуждения Iв. При увеличении тока нагрузки Iн напряжение Uг понижается в результате размагничивающего влияния реакции якоря и падения напряжения в цепи якоря. Наклон внешней характеристики к оси абсцисс (жесткость внешней характеристики) оценивается номинальным изменением напряжения генератора,%, при сбросе нагрузки:

ΔUном = (Eг — Uном / Uном) × 100 (2.9)

Обычно для генераторов независимого возбуждения ΔUном = 5. 10%. Регулировочная характеристика генератора Iв = f (Iн) показывает, как следует изменять величину тока в цепи обмотки возбуждения, чтобы при изменениях нагрузки генератора напряжение на его выводах оставалось неизменным и равным номинальному. При этом частота вращения сохраняется постоянной: n = const. Порядок построения регулировочной характеристики следующий. При отключенной нагрузке устанавливают такой ток возбуждения Iв0, при котором напряжение на выводах генератора равно номинальному. Затем постепенно увеличивают ток нагрузки генератора до номинального значения, одновременно увеличивая ток возбуждения таким образом, чтобы напряжение генератора во всем диапазоне изменения нагрузки оставалось равным номинальному. Так получают восходящую ветвь характеристики. Далее, постепенно уменьшая нагрузку генератора до холостого хода и регулируя соответствующим образом ток возбуждения, получают нисходящую ветвь характеристики. Нисходящая ветвь регулировочной характеристики располагается выше восходящей, что объясняется влиянием остаточного намагничивания магнитной цепи машины в процессе снятия восходящей ветви. Среднюю кривую, проведенную между восходящей и нисходящей ветвями, называют практической регулировочной характеристикой генератора. Основным недостатком генераторов независимого возбуждения является необходимость в постороннем источнике постоянного тока – возбудителе. Однако возможность регулирования напряжения в широких пределах, а также сравнительно жесткая внешняя характеристика являются несомненными достоинствами таких генераторов, что объясняет преимущественное использование их на тяговом подвижном составе.

2.3. Генератор параллельного возбуждения.

Принцип самовозбуждения генераторов постоянного тока основан на том, что магнитная система машины, будучи намагниченной, сохраняет небольшой магнитный поток остаточного магнетизма сердечников полюсов и станины Фост (2. 3% от полного потока).
Самовозбуждение генератора проводят в режиме холостого хода. При вращении якоря поток Фост индуцирует в якорной обмотке ЭДС Еост, под действием которой в обмотке возбуждения возникает небольшой ток Iв. Если МДС обмотки возбуждения Iвwв имеет такое же направление, как и поток Фост, то она увеличит поток главных полюсов. Это, в свою очередь, вызовет увеличение ЭДС генератора и очередное увеличение тока возбуждения. Так будет продолжаться до тех пор, пока напряжение генератора не будет уравновешено падением напряжения в цепи возбуждения, т. е. когда IвRв = Ег, На рис. 2.3 показана схема включения генератора параллельного (шунтового) возбуждения. Характеристика холостого хода этого генератора аналогична характеристике холостого хода генератора независимого возбуждения. Самовозбуждение генератора возможно лишь при частоте вращения, превышающей некоторое значение, называемое критическим (nкр).

Рис. 2 3. Схема включения генератора параллельного возбуждения.
Rв – регулировочное сопротивление обмотки возбуждения.

Это условие вытекает из характеристики самовозбуждения генератора, представляющей собой зависимость напряжения генератора в режиме холостого хода от частоты вращения при неизменном сопротивлении цепи возбуждения Ег = f (n) при Rв = const. Анализ характеристики самовозбуждения показывает, что в области малых частот вращения (n nкр. В этом случае увеличение частоты вращения сопровождается резким увеличением ЭДС Ег. Однако при частоте вращения, близкой к номинальной, рост ЭДС несколько замедляется, что объясняется магнитным насыщением генератора. Таким образом, самовозбуждение генераторов постоянного тока возможно при соблюдении следующих условий:
• магнитная система машины должна иметь остаточный магнетизм;
• включение обмотки возбуждения должно быть таким, чтобы ее магнитный поток совпадал по направлению с потоком остаточного магнетизма Фост;
• сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического;
• частота вращения якоря должна быть больше критической.

Нагрузочная и регулировочная характеристики генератора параллельного возбуждения практически не отличаются от соответствующих характеристик генератора независимого возбуждения. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения менее жесткая, чем у генератора независимого возбуждения. Объясняется это тем, что в генераторе параллельного возбуждения помимо причин, вызывающих уменьшение напряжения в генераторе независимого возбуждения (реакция якоря и падение напряжения в цепи якоря), действует еще одна причина – уменьшение тока возбуждения в результате снижения напряжения от действия первых двух причин. Этим же объясняется и то, что при постепенном уменьшении сопротивления нагрузки Rн ток Iн увеличивается лишь до критического значения Iкр, а затем, при дальнейшем уменьшении сопротивления нагрузки, ток Iн начинает уменьшаться, а при коротком замыкании Iкз

Глава 3.
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

3.1. Основные понятия.

Для электродвигателя – привода вспомогательного оборудования, работающего с постоянной скоростью вращения, можно составить уравнение ЭДС:

U = Eя + IяRя (3.1) (3.1)

Таким образом, подведенное к двигателю напряжение уравновешивается противо ЭДС якорной обмотки Ея и падением напряжения в цепи якоря. На основании уравнения (3.1) можно получить формулу для определения тока якоря:

Iя =U — Eя / Rя (3.2)

Умножив обе части уравнения (3.1) на ток якоря Iя, получим уравнение мощности:

UIя = ЕяIя + I2яRя (3.3)

где UIя – мощность в цепи обмотки якоря, Вт; I2яRя – мощность электрических потерь в цепи якоря, Вт. Для выяснения сущности произведения ЕяIя выполним следующее преобразование формулы (2.5) с учетом формул (1.4) и (1.35):

ЕяIя = (pN / 60a) × ФnIя = (pN / 60a) × (60ω / 2π) × Iя (3.4)
или
ЕяIя = (pN / 60aπ) × ФIяω (3.5)

pN / 60aπ × ФIя = М (3.6)

ЕяIя = Мω = Рэм (3.7)

где ω = 2nπ / 60 угловая скорость вращения якоря, с-1,
Рэм – электромагнитная мощность двигателя, кВт.

Следовательно, произведение ЕяUя представляет собой электромагнитную мощность двигателя, численно равную той части мощности на входе двигателя, которая в процессе его работы преобразуется в механическую мощность, необходимую для вращения якоря. Преобразовав уравнение (3.3) с учетом уравнения (3.7), получим:

UIя = Мω + IяRя. (3.8)

С увеличением нагрузки на вал двигателя, т.е. с увеличением электромагнитного момента Мэм, возрастает мощность в цепи обмотки якоря UIя – мощность на входе двигателя. Но так как напряжение, подводимое к двигателю, поддерживается неизменным (U = const), то увеличение нагрузки двигателя сопровождается ростом тока в обмотке якоря Iя.

В зависимости от способа возбуждения двигатели постоянного тока подразделяют на двигатели с возбуждением от постоянных магнитов (магнитоэлектрические) и с электромагнитным возбуждением. Последние, в соответствии со схемой включения обмотки возбуждения относительно обмотки якоря, подразделяют на двигатели параллельного (шунтовые), последовательного (сериесные) и смешанного (компаундные) возбуждения. На вал двигателя действуют следующие моменты:
— вращающий (электромагнитный) момент Мэм, который приводит якорь двигателя во вращение, передаваемое через вал исполнительному механизму;
— момент холостого хода Мхх, обусловленный механическими (включая вентиляционные) и магнитными потерями в двигателе. Величина момента Мхх не зависит от нагрузки, и в двигателях нормального исполнения она не превышает 2. 6% от номинального значения вращающего момента Мном;
— полезный момент М2, т.е. противодействующий момент механизма, приводимого в действие данным двигателем;
— динамический момент Мд, возникающий при всяком изменении частоты вращения якоря двигателя и обусловленный инерцией вращающихся частей двигателя и нагрузки.

Динамический момент определяют по формуле:

Мд = J (dω / dt) (3.9)

где J – момент инерции всех вращающихся частей двигателя и нагрузки, кг×м2, приведенный угловой скорости вращения ω. Обычно моменты Мхх и М2 рассматривают совместно как статический момент сопротивления вращению вала двигателя:

Мхх + М2 = Мст (3.10)

В общем случае уравнение моментов двигателя может быть записано как

Мэм = Мхх + М2 ± М, (3.11)
или
Мэм = Мст ± Мд. (3.12)

Знак «+» или «-» у динамического момента определяется характером изменения скорости: при увеличении скорости момент Мд складывается с моментом Мст (знак «+»), а при уменьшении скорости Мд действует встречно моменту Мст (знак «-»). При неизменной скорости вращения якоря (dω/dt = 0) динамический момент Мд = 0, тогда уравнение моментов двигателя упростится:

Мэм = Мхх + М2 = Мст, (3.13)

т.е. в установившемся режиме работы вращающий момент двигателя и статический момент сопротивления на его валу взаимно уравновешиваются. Вращающий момент двигателя пропорционален электромагнитной мощности, поэтому:

Mэм = Pэм /ω = Pэм / (2nπ / 60) = 60Pэм / 2nπ = 9,55Pэм / n (3.14)

Величина полезного момента двигателя М2 пропорциональна мощности двигателя Р2 что дает возможность получить выражение для определения полезного момента, аналогичное выражению (3.14):

М2 = 9,55P2 / n (3.15)

где М2 – полезный момент, Нм;
Р2– полезная мощность двигателя (мощность на валу), Вт;
n – частота вращения якоря, об/мин.

На основании формулы для определения ЭДС Ея = сеФn, тогда частота вращения якоря двигателя:

n = Ея / сеФn (3.16)

Подставив в выражение (3.16) значение Ея из формулы (3.1), получим

n = U — IяRя / сеФ (3.17)

где се – электрическая постоянная машины. Таким образом, частота вращения якоря электродвигателя прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку возбуждения. Физически это объясняется тем, что увеличение напряжения U или уменьшение потока Ф вызывает увеличение разности (U- Ея), что, в свою очередь, ведет к увеличению тока Iя (см. формулу 3.2). Возросший ток Iя увеличивает вращающий момент, и если при этом нагрузочный момент остается неизменным, то частота вращения якоря двигателя тоже увеличивается.

Следовательно, регулировать частоту вращения якоря двигателя можно, изменяя:
— напряжение U.
— магнитный поток возбуждения Ф.
— величину сопротивления якорной цепи Rя.

Направление вращения якоря определяется направлением магнитного потока возбуждения Ф и направлением тока в обмотке якоря. Поэтому, изменив направление того или другого, можно изменить направление вращения якоря. Следует иметь в виду, что переключение общих зажимов схемы у рубильника не дает изменения направления вращения якоря, так как при этом одновременно изменяется направление тока и в обмотке якоря, и в обмотке возбуждения. При исследовании работы двигателей постоянного тока большое значение имеет зависимость частоты вращения якоря от вращающего момента Мэм = Мхх + М2.
Эта зависимость графически выражается механической характеристикой двигателя n =f (Mxx) при U= const и Rpг = const. Преобразуем выражение (3.17):

n = (U / ceФ) — (IяRя / ceФ) (3.18)

и, подставив из формулы (2.6) значение тока Iя = МэмRя / сесмФ2 получим:

n = U / (ceФ — МэмRя / сесмФ2) (3.19)

где см – электромашинная постоянная двигателя. Из формулы (3.19) видно, что на рабочие характеристики двигателя существенно влияет способ возбуждения. Двигатель работает устойчиво, и якорь вращается с постоянной скоростью, если развиваемый им вращающий момент равен противодействующему моменту сопротивления:

Условие устойчивой работы двигателя формулируется следующим образом: при возрастании частоты вращения якоря прирост вращающего момента должен быть меньше прироста противодействующего момента:

dMэм / dn регулировочной характеристикой двигателя :

n = f(Iв) при I = const и U = const.

Эксплуатационные свойства двигателя определяются его рабочими характеристиками, под которыми понимают зависимость частоты вращения n, тока I, полезного момента М2, вращающего момента Мэм от мощности на валу двигателя Р2 при U = const и Iв = const (рис. 3.2). Для анализа зависимости n = f(P2), которая называется скоростной характеристикой, используем формулу (3.17). Из этой формулы видно, что при неизменном напряжении f/на частоту вращения якоря влияют два фактора: падение напряжения в цепи якоря IяRя и поток возбуждения Ф. При увеличении нагрузки уменьшается числитель в формуле (3.17), а вследствие увеличения реакции якоря уменьшается знаменатель. Обычно ослабление потока, вызванное реакцией якоря, невелико, и первый фактор влияет на частоту вращения сильнее, чем второй. В итоге частота вращения якоря с ростом нагрузки уменьшается. Если же усиление реакции якоря в двигателе сопровождается более значительным ослаблением потока Ф и Мэм то частота вращения с увеличением нагрузки будет возрастать (пунктирная кривая на рис. 3.2). Однако такой характер зависимости n = f(P2) нежелателен, так как не удовлетворяет условию устойчивой работы двигателя (см, выражение 3.21).

Рис. 3.1. Схема включения двигателя параллельного возбуждения.

Рис. 3.2. Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения. /p>

Чтобы скоростная характеристика имела вид падающей кривой, в некоторых двигателях параллельного возбуждения применяют легкую (с небольшим числом витков) последовательную обмотку возбуждения, которая называется стабилизирующей обмоткой.
При согласном включении этой обмотки с параллельной обмоткой возбуждения ее МДС компенсирует размагничивающее действие реакции якоря так, что поток Ф во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменным. Изменение частоты вращения якоря при переходе от номинальной нагрузки к холостому ходу, выраженное в процентах, называется номинальным изменением скорости:

Δn = (nхх — nном / nном)×100 (3.22)

где nхх – частота вращения двигателя в режиме холостого хода, об/мин; nном — номинальная частота вращения двигателя, об/мин. Обычно для двигателей параллельного возбуждения Δn = 2. 8%, поэтому скоростную характеристику двигателя параллельного возбуждения называют жесткой. Зависимость полезного момента М2 от нагрузки отражена в формуле (3.15). При n = const график М2 = f(P2) имеет вид прямой. Однако с увеличением нагрузки частота вращения якоря снижается, поэтому зависимость М2 = f(P2) имеет нелинейный характер.

Согласно формуле (3.13), при n = const вращающий момент двигателя Мэм = Мхх + М2. Так как рабочие характеристики двигателя строятся при условии Iв = const, что обеспечивает постоянство магнитных потерь в двигателе, то момент холостого хода тоже постоянен, т.е. Мхх = const. Поэтому графики Мэм = f(P2) и М2 = f(P2) проходят параллельно. Если принять поток Ф = const, то график М2 = f(P2) является также выражением зависимости I = f(P2) поскольку Мэм = смФIя (см. выражение 3.19).

Если пренебречь реакцией якоря, то так как Iв = const, можно принять Ф = const. Тогда механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения представляет собой линию с небольшим наклоном к оси абсцисс. Угол наклона тем больше, чем больше величина сопротивления, включенного в цепь якоря.

Механическая характеристика двигателя при отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря называется естественной, а при включении дополнительного сопротивления в цепь якоря (Rя + rд) – искусственной. Устойчивость частоты вращения якоря и возможность ее плавной регулировки в широких пределах обеспечили двигателям параллельного возбуждения широкое применение на подвижном составе.

Каждый электрик должен знать:  Разомкнутые и замкнутые системы управления электроприводами

3.3. Двигатель последовательного возбуждения.

В этом двигателе обмотка возбуждения включена последовательно в цепь якоря (рис. 3.3), поэтому магнитный поток Ф обмотки возбуждения зависит от тока якоря Iя.
При небольших нагрузках магнитная система машины ненасыщена, и потому изменение магнитного потока от тока якоря прямо пропорционально Ф = КIя, где К– коэффициент пропорциональности. В этом случае выражение для определения электромагнитного момента можно записать как:

Мэм = (смКIя)Iя = с’мI2я (3.23)

Подставив выражение (3.23) в выражение для частоты вращения (3.19), получим:

n = U — IяRя / с’мI2я = U — IяRя / с’мI2я (3.24)

Таким образом, вращающий момент двигателя при ненасыщенном состоянии магнитной системы пропорционален квадрату тока якоря, а частота вращения обратно пропорциональна току нагрузки.

Рис. 3.3. Схема включения двигателя последовательного возбуждения.

Рис. 3.4. Рабочие характеристики двигателя последовательного возбуждения. /p>

На рис. 3.4 представлены механические характеристики Мэм = f(Iя) и n = f(Iя) двигателя последовательного возбуждения. При больших нагрузках наступает насыщение магнитной системы двигателя. В этом случае магнитный поток при увеличении нагрузки практически не изменяется, и характеристика двигателя Мэм = f(Iя) приобретает линейный характер. Как видим, скоростная характеристика n = f(Iя) двигателя последовательного возбуждения является мягкой, поскольку частота вращения якоря резко меняется при изменении нагрузки.

Следует иметь в виду, что при уменьшении нагрузки частота вращения якоря резко увеличивается – двигатель идет в «разнос». Поэтому работа двигателя последовательного возбуждения, а также его пуск при отсутствии нагрузки на валу недопустимы. В качестве меры безопасности вал двигателя последовательного возбуждения должен быть жестко соединен с рабочим механизмом посредством муфты или зубчатой передачи. Применение ременной передачи недопустимо, так как при обрыве или сбросе ремня может произойти «разнос» двигателя.

Свойство двигателя развивать большой вращающий момент, пропорциональный квадрату тока якоря, имеет существенное значение, особенно в тяжелых условиях пуска и при перегрузках, так как при постепенном увеличении нагрузки двигателя мощность на входе растет медленнее, чем его вращающий момент. Способность двигателей последовательного возбуждения развивать большой пусковой момент обусловило их широкое применение в качестве тяговых на тепловозах, электровозах и в различных подъемных устройствах. Номинальное изменение частоты вращения якоря,%, последовательного возбуждения определяется по формуле:

Δnном = (n(0,25) — nном / nном)×100 (3.25)

где (0,25) — частота вращения при нагрузке двигателя, составляющей 25% от номинальной, об/мин; nпом – частота вращения якоря при номинальной нагрузке, об/мин. Регулировать частоту вращения якоря двигателя последовательного возбуждения можно двумя способами: изменением напряжения питания U и изменением магнитного потока Ф обмотки возбуждения.

3.4. Двигатель смешанного возбуждения.

Двигатель смешанного возбуждения нашел наибольшее распространение в качестве привода агрегатов. Он имеет две обмотки возбуждения: параллельную (ШОВ) и последовательную (СОВ) (рис. 3.5). Частота вращения вала этого двигателя определяется по выражению (3.18) с учетом того, что:

где Ф1 и Ф2 – соответственно потоки параллельной и последовательной обмоток возбуждения, Вб. Знак «+» соответствует согласному включению обмоток возбуждения (МДС обмоток складываются). В этом случае с увеличением нагрузки общий магнитный поток машины увеличивается (за счет потока последовательной обмотки Ф2), что ведет к уменьшению частоты вращения якоря. При встречном включении обмоток поток Ф2 при увеличении нагрузки размагничивает машину (знак «-»), что, наоборот, увеличивает частоту вращения. Работа двигателя при этом становится неустойчивой, так как с увеличением нагрузки частота вращения неограниченно возрастает. Однако при небольшом числе витков последовательной обмотки с увеличением нагрузки частота вращения не возрастает и во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменной. Механические характеристики двигателя смешанного возбуждения при согласном включении обмоток возбуждения (рис. 3.6) в сравнении с механическими характеристиками двигателя последовательного возбуждения имеют более жесткую характеристику.

Рис. 3.5. Схема включения двигателя смешанного возбуждения.

Двигатель смешанного возбуждения имеет ряд преимуществ по сравнению с двигателем последовательного возбуждения. Например, этот двигатель может работать вхолостую, так как поток параллельной обмотки Ф ограничивает частоту вращения якоря в режиме холостого хода и устраняет опасность «разноса». Регулирование частоты вращения осуществляется реостатом Rpг в цепи параллельной обмотки возбуждения. Однако наличие двух обмоток возбуждения увеличивает стоимость изготовления двигателя смешанного возбуждения по сравнению с двигателями предыдущих типов, что ограничивает его применение.

Рис. 3.6. Рабочие характеристики двигателя смешанного возбуждения.

3.5. Торможение двигателей постоянного тока.

При необходимости быстрой остановки или уменьшения скорости вращения якоря применяют его электродинамическое торможение. Если внешний момент на валу двигателя становится вращающим, то частота вращения становится больше пограничной скорости nхх.
При этом ЭДС Ея начинает превышать напряжение сети U. В этом случае ток якоря Iя изменяет свое направление, и машина переходит в генераторный режим. Электромагнитный момент машины также меняет свое направление и становится тормозящим по отношению к внешнему моменту, действующему на вал машины. Величина тормозного момента регулируется током возбуждения.
При электродинамическом торможении обмотку якоря двигателя отключают от сети и замыкают на нагрузочное сопротивление Rн.
При этом механическая энергия вращающихся масс преобразуется в электрическую энергию, которая, в свою очередь, расходуется на нагрев сопротивления Rн и других элементов цепи якоря. Ток якоря при динамическом торможении меняет свое направление на противоположное, а создаваемый им электромагнитный момент оказывает тормозящее действие на подвижные части приводного механизма.
При динамическом торможении двигателей последовательного возбуждения во избежание размагничивания машины необходимо переключать обмотку возбуждения для того, чтобы направление тока в ней при переходе на динамическое торможение осталось неизменным. Торможение противовключением (контрток) применяется при необходимости интенсивного торможения. Сущность его состоит в том, что путем изменения направления тока в обмотке возбуждения либо в обмотке якоря меняют направление электромагнитного момента двигателя, и он становится тормозящим. Обычно торможение противовключением предшествует изменению направления вращения якоря (реверсированию). Однако на практике такой режим работы электрической машины может вывести ее из строя.

Глава 4.
АСИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ.

4.1. Принцип действия и устройство асинхронных двигателей.

Конструкция.
Среди электрических двигателей первое место по своему распространению занимают трехфазные асинхронные двигатели. Не менее 95% всех электродвигателей переменного тока, применяемых в разных отраслях промышленности, принадлежат именно к этому классу. Как и электрические машины постоянного тока, асинхронные электродвигатели обратимы и могут работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Неподвижный стальной кольцеобразный сердечник вместе с уложенной в его пазах многофазной обмоткой носит название статора . В расточке статора расположена вращающаяся часть двигателя – ротор , который состоит из вала, сердечника и обмотки.

Обмотка ротора (рис. 4.1) состоит из алюминиевых стержней 1, расположенных в пазах сердечника и замкнутых с обоих торцов алюминиевыми кольцами 2. Принцип действия асинхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора, образуемого многофазным (обычно трехфазным), током, с токами, наводимыми в обмотке ротора. В результате чередования фаз тока в неподвижно расположенных обмотках статора создается результирующий, постоянный по величине магнитный поток, вращающийся в пространстве с частотой n1 соответствующей частоте тока. Частота вращения ротора зависит от частоты напряжения питания, величины нагрузки и числа пар полюсов на статоре. В результате взаимодействия индуцированного тока с магнитным потоком создается момент, противодействующий причине возникновения этого тока. В данном случае ток вызывается относительным перемещением потока и ротора. Следовательно, возникающий момент стремится уменьшить относительную скорость магнитного поля и ротора и вращает ротор в направлении вращения поля. Однако частота вращения ротора всегда меньше частоты вращения поля, так как только при этом условии ротор пересекается вращающимся полем и в нем индуцируется ток.

Рис 4.1. Короткозамкнутая обмотка ротора («беличья клетка»)
1 – стержень, 2 – кольцо.

Принцип действия двигателя основан на отставании частоты вращения магнитного поля ротора от частоты вращения поля статора, что обусловило появление термина асинхронный, т.е. неодновременный. Асинхронные двигатели часто называются также индукционными, поскольку они работают на том же принципе, что и индукционные приборы (трансформаторы). Вращающееся поле статора пересекает проводники (стержни) обмотки ротора и наводит в них ЭДС, под действием которой в стержнях короткозамкнутой обмотки ротора протекает относительно большой ток. На проводник обмотки ротора действует электромагнитная сила Fпp, направление которой совпадает с направлением вращения поля статора (рис. 4.2). Совокупность сил Fпp, приложенных к отдельным проводникам, создает на роторе электромагнитный момент Мэм вращающий ротор с частотой n2. Вращение ротора передается через вал исполнительному механизму. Направление вращения магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения ротора, зависят от порядка чередования фаз питающего напряжения. При необходимости изменения направления вращения ротора асинхронного двигателя следует поменять местами любую пару фазных выводов, соединяющих двигатель с сетью.

Частота вращения.
За основу принимается двухполюсная система, создаваемая тремя витками, или катушками, взаимно сдвинутыми в пространстве на 120°. За один период переменного тока двухполюсное магнитное поле делает один оборот, а за одну минуту – 60f оборотов, где f – частота тока. При стандартной частоте f = 50 Гц частота вращения поля n = 60 × 50 = 3000 об/мин. При числе полюсов больше двух необходимо различать механическую и электрическую угловые скорости вращения поля. Электрическая угловая скорость ω = 2πf не зависит от числа катушек и числа полюсов статорной обмотки. Механическая угловая скорость ω1 = 2πfn / 60, т.е. обратно пропорциональна числу пар полюсов магнитного поля. Действительно, при числе р пар полюсов имеется 3р витков, или катушек, сдвинутых взаимно на 2π/3р, или 360о/3р. За один период переменного тока результирующий магнитный поток переместится в пространстве на часть окружности, занимаемую тремя соседними катушками, принадлежащими трем разным фазам, т.е. на 2π/р, или 360°/р.

Рис. 4.2. Принцип работы асинхронного двигателя.

Очевидно, что в этом случае угловая скорость вращения поля равна:

а число оборотов магнитного поля в минуту составляет:

Таким образом, при частоте питающего напряжения f = 50 Гц в двухполюсной машине n1 = 3000 об/мин, четырехполюсной n1= 1500 об/мин, шестиполюсной n1 = 1000 об/мин, в восьмиполюсной n1 = 750 об/мин и т.д. Обозначим через n частоту вращения ротора. Отношение s = n1 — n2 / n2 называется скольжением. Для асинхронных двигателей скольжение является основным фактором, определяющим условия работы машины. Частота вращения ротора:

n = n1(1 — s) = 60 f (1 — s) / p (4.3)

Для эффективной работы двигателя необходимо поддерживать величину s короткозамкнутым .
Стержни, расположенные вдоль цилиндрической поверхности, вместе с короткозамкнутыми кольцами образуют так называемую беличью клетку . Трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (их часто называют просто короткозамкнутыми двигателями) получили широкое распространение на подвижном составе благодаря исключительной простоте, дешевизне и надежности в работе.

4.2. Электродвижущие силы статора и ротора.

При синусоидальном распределении постоянного по величине вращающегося магнитного потока в воздушном зазоре асинхронной машины в обмотке ротора индуцируется ЭДС, изменяющаяся во времени по синусоиде. То же относится и к обмотке статора, проводники которого также пересекаются вращающимся магнитным потоком. Если ЭДС изменяется синусоидально, то ее мгновенное значение, как известно из теории переменных токов, равно е = Етsinωt. Амплитуда ЭДС в одном витке обмотки равна Ет = Фтω, где Ет – максимальное значение ЭДС. Если обмотка расположена в нескольких пазах, то ЭДС, индуцируемые в отдельных проводниках обмотки одной фазы, лежащих в разных пазах, будут отличаться по фазе. Поэтому полная ЭДС в обмотке одной фазы равна геометрической сумме ЭДС отдельных проводников. То же относится и к определению ЭДС одного витка, или катушки, при так называемом укорочении шага, когда шаг обмотки меньше полюсного шага машины. Введя коэффициент k1 меньший единицы, зависящий от устройства обмотки и называемый обмоточным коэффициентом, можно записать:

где Е1 – ЭДС фазы, В;
Ф – магнитный поток обмотки статора, Вб;
f– частота питающей сети, Гц;
w1– число витков обмотки фазы статора.

Обмоточный коэффициент зависит от типа и схемы статорной обмотки и в среднем примерно равен 0,9. ЭДС статорной обмотки уравновешивается приложенным к обмотке статора напряжением сети. По отношению к току статора эта ЭДС является противодействующей. ЭДС, индуцируемая в обмотке ротора, определяется относительной частотой вращения поля и ротора ω2 = 2πfs = sω1. Таким образом, можно записать:

е = Emsinω2t = Emsin(sω1t) (4.5)

Значение магнитного потока Ф, входящее в уравнения, есть магнитный поток взаимной индукции, охватывающий обе обмотки –- статорную и роторную. Для действующего значения ЭДС в обмотке ротора при скольжении s мы аналогично получим E2s = 4,44k2Фf2w2 = 4,44k2Фfw2s. Как и в трансформаторе, при определении магнитного потока Ф токов ротора и статора исходной величиной является ток во вторичной цепи, т.е. в роторе асинхронного двигателя. Величина роторного тока определяется нагрузкой машины, причем в данном случае речь идет о механической нагрузке, т.е. о моменте на валу двигателя. С увеличением момента на валу вращение ротора замедляется, разность частоты вращения поля и ротора увеличивается, в соответствии с чем возрастают ЭДС и ток в роторе.

4.3. Вращающий момент асинхронного двигателя.

Направление силы механического взаимодействия между проводниками ротора и вращающимся магнитным полем показано на рис. 4.5. Однако этот рисунок изображает только небольшой участок обмотки ротора; если же мы рассмотрим всю поверхность ротора с распределенной на нем обмоткой, то картина окажется более сложной.

Рис. 4.5. Направление силы механического взаимодействия
между вращающимся полем статора и проводниками ротора

Допустим, что магнитное поле вращается с частотой n1 против часовой стрелки. В рассматриваемый момент времени результирующий магнитный поток занимает показанное на рисунке положение, т.е. в данной зоне магнитные линии входят в статор из ротора (полюс S статора). Согласно правилу правой руки для определения направления ЭДС, индуцируемой в проводниках ротора, необходимо принять во внимание направление движения проводников относительно магнитного поля. Очевидно, что относительное движение проводников ротора с частотой nпр направлено встречно движению поля, т.е. в данном случае по часовой стрелке. Применив для этого случая правило правой руки, найдем, что в проводниках ротора ЭДС направлена в сторону читателя (знак точки). Ток в этих проводниках направлен в ту же сторону. Согласно правилу левой руки механическая сила F, действующая на проводники ротора, вызывает вращение ротора в направлении вращения поля. Очевидно, что когда против рассматриваемых проводников ротора окажется полюс N статора, направление ЭДС и тока в проводниках ротора изменится на обратное. Частота этих перемен зависит от разности: n1 — n = sn1 .Частота тока в роторе: f2 = sf. Например, при s = 0,04 частота тока в роторе f2 = 0,04 × 50 = 2 Гц. На рис. 4.6 показан двухполюсный ротор с распределенной по всей окружности короткозамкнутой обмоткой, состоящей из 12 стержней или проводников. Магнитный поток вращается против часовой стрелки, т. е. ось магнитного потока направлена от А к В. Направления ЭДС, индуцируемых в роторе магнитным потоком, 52 / 203 определенные по правилу правой руки, показаны значками в внешнем ряду, ближе к поверхности ротора. Эти направления в точности соответствуют направлению вектора магнитной индукции. Максимальные (по абсолютной величине) значения магнитной индукции и ЭДС соответствуют проводникам 4 и 10, находящимся на линии АВ.

Рис. 4.6. Механизм образования механической силы
и вращающего момента в асинхронном двигателе

Вследствие индуктивного характера сопротивления обмотки ротора ЭДС и ток ротора сдвинуты по фазе на угол φ. Определяя по правилу левой руки механические силы, действующие на проводники ротора, мы видим, что не на все проводники эти силы действуют в направлении вращения поля, как это следует из элементарного принципа действия асинхронного двигателя (рис. 4.7). Это утверждение действительно только для тех проводников, в которых направление тока совпадает с направлением ЭДС. В общем случае, при достаточно большом числе проводников, можно сказать, что механическая сила действует по направлению поля в зоне, соответствующей углу π — φ, и против направления поля в зоне угла φ. Это показано соответствующими стрелками на рис. 4.7. Границы зон определяются прямыми HG и LK, перпендикулярными к прямым АВ и СD. При большем числе полюсов участки с противоположным направлением силы будут чередоваться чаще, но общая сумма геометрических углов, соответствующих тому или иному направлению силы, останется такой же. После определения средней силы или среднего вращающего момента, действующего на проводники ротора, можно перейти к определению момента машины.

Имеем следующие исходные выражения для магнитного потока Ф, тока ротора I2 и коэффициента мощности cosφ:

Ф = Е1 / 4,44k1w1;
I2 = sE1 / √r22 + s2x22;
cosφ = r2 / √ r22 + s2x22 (4.6)

где r2 и х2 — соответственно активное и индуктивное сопротивления обмотки ротора, Ом. Вращающий момент:

М = cмФI2cosφ (4.7)

где см – величина, постоянная для данной машины. Подставив в уравнение (4.7) выражения для Ф, I2 и cosφ из (4.6), получим:

M = E21sr2cм / 4,44k1fw1(r22 + s2x2) (4.8)

Обозначив постоянную величину: cм / 4,44k1fw1 = C получим значение номинального момента асинхронного двигателя:

Mном = СE12 (sr2 / r22 + s2x22) (4.9)

Рис. 4.7. Распределение электромагнитной силы по окружности ротора.

Механическая характеристика.
Для дальнейшего упрощения анализа примем, что ЭДС статора Е1 при изменении s остается постоянной, т.е. пренебрежем изменением падения напряжения в обмотке статора. Однако это возможно только в известных пределах изменения нагрузки, токов и скольжения ротора двигателя, так как при больших значениях s падение напряжения в обмотке статора возрастает, а Е1 соответственно снижается. Таким образом, если принять Е1 = const, то выражение (4.8) превращается в зависимость М от одной независимой переменной скольжения s, т. е. мы получаем M = f(s), Как видно из графического изображения этой зависимости (рис. 4.8), при малых значениях скольжения преобладает влияние s в числителе формулы, соответственно чему момент двигателя М увеличивается почти пропорционально скольжению. Однако при значениях скольжения, больших некоторого критического значения sкp, начинает преобладать влияние слагаемого с s2 в знаменателе формулы (4.8), и момент снижается с увеличением s. Наличие максимума на кривой M = f(s) объясняется следующим образом. Если принять Ф = const, то на изменение момента в выражении (4.7) будет влиять I2, который растет с увеличением s, и cosφ, который падает с увеличением s. Величина угла φ, как видно из рис. 4.6, связана с наличием проводников, в которых электромагнитная сила направлена против вращения поля. Таким образом, с увеличением s, т. е. с уменьшением частоты вращения ротора, токи, а следовательно, и электромагнитные силы взаимодействия вращающегося поля статора и тока в отдельных проводниках ротора растут. При малых значениях s и φ момент растет с увеличением тока, однако при значительных величинах s и φ результирующий момент, действующий в направлении вращения поля и ротора, начинает снижаться. Повернув кривую M = f(s) (см. рис. 4.8) на 90° по часовой стрелке, получим механическую характеристику асинхронного двигателя n = f(M) (рис. 4.9). Действительно, если на рис. 4.8 по оси абсцисс отложены значения s от нуля до единицы (s = 0 соответствует холостому ходу, a smax = 1 – неподвижному состоянию ротора), то на рис. 4.9 нулевое значение на оси ординат соответствует n = 0, т. е. s = 1, а наибольшая ордината характеристики соответствует n — n1 т. е. s = 0. Строго говоря, на холостом ходу двигатель вращается с частотой n 3.

Пусковые характеристики.
Пусковые свойства короткозамкнутых двигателей определяются в первую очередь значением начального пускового момента Мп т.е. момента, соответствующего n = 0 и s = 1. Этот момент зависит от многих факторов, определяемых расчетом и конструкцией асинхронных двигателей. Отношение пускового момента Мп к номинальному Мном, или кратность моментов, изменяется для различных типов двигателей в широких пределах, большей частью от 0,9 до 2. В начале разгона, при небольшой частоте вращения, вращающий момент уменьшается по сравнению с величиной Мп, но это уменьшение незначительно. Двигатели с такими значениями пусковых моментов в большинстве случаев легко преодолевают моменты сопротивления при пуске. Кроме пускового момента большое значение имеет также величина пускового тока. Величина пускового тока ротора I2п (при s = 1) значительно превышает величину тока ротора при номинальной нагрузке (при s = sном). Пропорционально возрастанию тока ротора при увеличении скольжения растет ток статора. Отношение пускового тока статора Iп к номинальному току статора Iном колеблется обычно в пределах от 5 до 7 и называется коэффициентом кратности пускового тока. Большой пусковой ток не представляет опасности, так как время протекания пускового процесса составляет от малых долей секунды до нескольких секунд. За такой малый промежуток времени большой пусковой ток не может вызвать значительного повышения температуры двигателя. Более существенным является влияние пускового тока на напряжение сети. Если от одного и того же источника питается много двигателей, причем мощность каждого отдельного двигателя составляет небольшую часть от всей установленной мощности, то падение напряжения, вызванное пусковым током одного двигателя, не может существенно отразиться на напряжении всей сети. Только при наличии двигателей большой мощности (20. 25% от мощности питающего источника) падение напряжения, вызванное пуском такого двигателя, может стать недопустимым. Из сказанного следует, что в большинстве случаев для двигателей малой и средней мощности естественные пусковые условия, характеризуемые коэффициентами кратности пусковых тока и момента, являются допустимыми. Поэтому чаще всего асинхронные двигатели не нуждаются ни в каких особых пусковых устройствах (реостатах и пр.) и начинают работать после включения в сеть. Улучшение пусковых свойств, т.е. увеличение пускового момента и уменьшение пускового тока, может быть достигнуто путем изменения конструкции обмотки ротора благодаря использованию проводников ротора с большим активным сопротивлением в виде узких и высоких стержней (двигатели с глубоким пазом) или в виде двух концентрически расположенных «беличьих клеток». В случае тяжелых пусковых условий, а именно, при необходимости получения большого пускового момента для быстрого разгона под полной нагрузкой, а также при большой частоте пусковых операций, применяют асинхронные двигатели с фазным ротором (с контактными кольцами).

4.4. Потери и КПД асинхронного двигателя.

Потери в асинхронных двигателях делятся на потери в обмотках статора и ротора Роб и магнитные потери в стальных сердечниках Рс. Потери в обмотках статора и ротора определяются как сумма:

Р = Роб1 + Роб2 = m1I21r1 + m2I22r2 (4.10)

Для статора число фаз в обмотке статора m1 = 3, а для короткозамкнутого ротора m2 = z2/p, где z2 – число пазов ротора; р – число пар полюсов. Следует отметить, что активное сопротивление обмотки статора r1 несколько больше ее сопротивления при постоянном токе, что обусловлено поверхностным эффектом. Это увеличение можно учесть коэффициентом, равным в среднем 1,05; этот коэффициент следует применить и при определении r2 путем подключения обмотки статора к источнику постоянного тока. Что касается сопротивления обмотки ротора r2, то при вращающемся роторе оно такое же, как на постоянном токе, так как частота тока ротора весьма мала. Однако непосредственное измерение этой величины возможно у двигателя с фазовым ротором. Потери в обмотке короткозамкнутого ротора могут быть экспериментально определены лишь косвенным путем. Магнитные потери на гистерезис и вихревые токи приходятся почти полностью на стальной сердечник статора. В роторе эти потери весьма малы, так как они зависят от частоты тока, которая в роторе составляет лишь несколько процентов от частоты тока статора или сети. Поэтому можно магнитными потерями в роторе пренебречь и учитывать только потери в статоре. Механические потери состоят из потерь на трение в подшипниках и вентиляционных потерь, а в двигателях с фазным ротором сюда прибавляются еще и потери на трение щеток о контактные кольца. В короткозамкнутых двигателях (без контактных колец) малой и средней мощности с шариковыми подшипниками механические потери малы по сравнению с другими группами потерь.

Определим КПД асинхронного двигателя. Как мы уже говорили, в статоре потери складываются из потерь в обмотке и в стали Роб1 и Рс, поэтому в ротор передается посредством вращающегося магнитного поля мощность

Р’ = Рп — Роб1 — Рс,

где Рп– подведенная к двигателю мощность. Эта мощность, называемая электромагнитной мощностью двигателя, может быть представлена как произведение вращающего момента электромагнитных сил на угловую скорость вращения поля:

Рэм = Мω1 = М (2πn1 / 60) (4.11)

С другой стороны, механическая мощность ротора Р2, вращающегося со скоростью n, равна

P2 = М (2πn1 / 60) = Р'(1 — s), поскольку n = n1(1 — s). (4.12)

Мощность, соответствующая разности между Р’ и Р2, превращается в теплоту, выделяемую в обмотке ротора, т е.

Роб2 = Р’ — P2 = Р’ — Р'(1 — s) = Р’s (4.13)

Таким образом, скольжение s является мерой потерь в обмотке ротора, т.е. отношением мощности, теряемой на выделение теплоты в роторе, ко всей электромагнитной мощности, полученной ротором. Очевидно, что при s = 1, т. е. при неподвижном двигателе, вся мощность, получаемая ротором, превращается в теплоту. В нормальных условиях работы малая величина s (примерно несколько процентов) является необходимым условием экономичной работы двигателя. Вычитая из мощности Р2 механические потери Рмх, получаем полезную мощность на валу двигателя; Р = Р2 — Рмх. Если пренебречь механическими потерями (Рмх = 0), то получим Р = Р2. Потери магнитные и механические составляют в сумме потери холостого хода и могут быть определены на основании опыта холостого хода, т.е. при вращении двигателя без всякой нагрузки, когда почти вся потребляемая мощность идет на покрытие потерь холостого хода. Потери в обмотке статора определяются путем измерения сопротивления статорной обмотки. Потери в обмотке ротора определяются путем измерения частоты вращения двигателя, а следовательно, скольжения s. Коэффициент полезного действия двигателя определяется по выражению:

n = (P1 — ΣP) / P1 (4.14)

где ΣP = Роб1 + Роб2 + Рс + Рмх + Рд – сумма всех потерь в двигателе, Вт;
Рд – дополнительные потери, Вт. По мере увеличения мощности двигателей их номинальный КПД растет.

4.5. Коэффициент мощности cosφ.

Потребление асинхронными двигателями реактивной мощности из сети вызывает отставание по фазе статорного тока от напряжения питания, поэтому его cosφ всегда меньше единицы.
Низкий cosφ ухудшает условия работы генераторов, трансформаторов, линий передачи и других частей энергоснабжающих установок.
Величина cosφ зависит от свойств и условий работы приемников электрической энергии и может быть определена как отношение полезной мощности двигателя к мощности, потребляемой из сети.
Причиной понижения cosφ является недогрузка, т. е. слабое использование асинхронных двигателей, что всецело связано с условиями работы приводимых в движение агрегатов и машин. Повышение степени загрузки оборудования помимо всех других технико-экономических преимуществ дает коренное улучшение и в отношении коэффициента мощности энергетических установок.
Номинальный cosφ, соответствующий номинальной нагрузке двигателей, при прочих равных условиях растет с увеличением мощности двигателей.
Зависимость cosφ = f(P) определяется тем, что в асинхронном электродвигателе ток статора I1 имеет индуктивную составляющую, необходимую для создания магнитного поля статора, поэтому его cosφ всегда меньше единицы.
Наименьшее значение cosφ соответствует режиму холостого хода и обычно не превышает 0,2. При увеличении нагрузки на вал электродвигателя коэффициент мощности возрастает, достигая наибольшей величины (0,8 . 0,9) при нагрузке, близкой к номинальной. Дальнейшее увеличение нагрузки сопровождается уменьшением cosφ, что объясняется увеличением индуктивного сопротивления ротора за счет увеличения скольжения.

В целях повышения коэффициента мощности асинхронных электродвигателей чрезвычайно важно, чтобы электродвигатель работал всегда или, по крайней мере, значительную часть времени с номинальной нагрузкой. Это можно обеспечить лишь при правильном выборе мощности электродвигателя. Иногда асинхронные двигатели должны длительное время работать со значительно пониженной нагрузкой.
& Если двигатели работают при полной нагрузке с соединением обмотки статора в треугольник, то в периоды пониженных нагрузок бывает рациональным переключение на соединение в звезду, т. е. уменьшение фазного напряжения U1 и ЭДС Е1 в √3 раз. Соответственно этому уменьшается магнитный поток, а также намагничивающий реактивный ток.

Рис. 4.10. Зависимость коэффициента мощности cosφ от величины полезной нагрузки Р.
1 — соединение обмотки в звезду, 2 — соединение обмотки в треугольник.

С другой стороны, при пониженной нагрузке двигателя произведение фазного напряжения на активный ток должно остаться постоянным, что при уменьшении напряжения означает увеличение активного тока. Такое увеличение одновременно с уменьшением реактивной составляющей тока приводит к значительному увеличению cosφ (рис. 4.10). Величина воздушного зазора между ротором и статором существенно влияет на величину реактивной мощности.

4.6. Рабочие характеристики асинхронного электродвигателя.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой зависимости частоты вращения n, коэффициента полезного действия η, полезного момента М, коэффициента мощности cosφ, величины тока I1 от полезной мощности Р при U1 = const и f = const. На рис. 4.11 представлено семейство рабочих характеристик асинхронного двигателя. Рассмотрим некоторые из них. Скоростная характеристика n = f(P). Согласно выражению (4.13):

т.е. скольжение ротора электродвигателя, а следовательно, его частота вращения определяются отношением электрических потерь в роторе Роб2 к электромагнитной мощности Р’. При холостом ходе потери Роб2 пренебрежимо малы по сравнению с мощностью Р’, поэтому здесь s ≈ 0 и n1 ≈ n. По мере увеличения нагрузки согласно выражению (4.13) растет Роб2, достигая значений 0,01. 0,06 при номинальной нагрузке. В соответствии с этим зависимость n = f(P) представляет собой кривую, слабо наклоненную к оси абсцисс. Однако при увеличении активного сопротивления ротора угол наклона этой кривой увеличивается, т.е. возрастает изменение частоты вращения ротора n при колебаниях нагрузки Р. Объясняется это тем, что с увеличением сопротивления ротора электрические потери в роторе Роб2 возрастают.

Рис. 4.11. Рабочие характеристики асинхронного двигателя.

Нагрузочная характеристика M = f(P). Зависимость полезного момента М на валу электродвигателя от полезной мощности Р определяется по выражению:

M = P / ω2 = 60P / 2πn (4.16)

Из выражения (4.16) следует, что если частота вращения двигателя остается постоянной, то при изменении нагрузки график M = f(P) имеет вид прямой. Но с увеличением Р частота вращения асинхронного двигателя уменьшается, поэтому полезный момент М возрастает быстрее, чем Р, вследствие чего зависимость М = f(P) имеет нелинейный характер.

4.7. Коллекторные машины переменного тока.

Стремление получить электродвигатель, имеющий хорошие регулировочные свойства и работающий от сети переменного тока, обусловило создание коллекторных двигателей переменного тока. Коллекторный двигатель постоянного тока в принципе может работать от сети переменного тока, так как в этом случае изменение направления тока в обмотке якоря и в обмотке возбуждения происходит одновременно. Также одновременно происходит изменение направления тока якоря Iя и магнитного потока возбуждения Ф. В итоге среднее значение электромагнитного момента за период остается положительным. Такие электродвигатели могут быть однофазными или трехфазными.

Каждый электрик должен знать:  Чем отличается провод от кабеля и шнура фото, ГОСТ, видео

Однофазные коллекторные двигатели переменного тока преимущественно имеют последовательное возбуждение. Ток якоря и магнитный поток возбуждения у них совпадают по фазе, поэтому среднее значение электромагнитного момента в двигателе последовательного возбуждения больше, чем в двигателе параллельного возбуждения. По своей конструкции однофазные коллекторные двигатели переменного тока отличаются от электродвигателей постоянного тока тем, что их станина и главные полюсы делаются шихтованными из листовой электротехнической стали, а обмотки якоря исполняются в «елочку». Такая технология позволяет сократить магнитные потери, которые при работе электродвигателя от сети переменного тока повышаются, поскольку переменный ток в обмотке возбуждения вызывает перемагничивание всей магнитной системы машины, включая станину и сердечники полюсов.

Основным недостатком однофазных коллекторных двигателей являются тяжелые условия коммутации, обусловленные тем, что в коммутируемых секциях помимо реактивной ЭДС ер и ЭДС в обмотке якоря Ея наводится трансформаторная ЭДС ет. Возникновение трансформаторной ЭДС объясняется тем, что переменный ток в обмотке возбуждения создает переменный магнитный поток, который пронизывает коммутируемые секции и индуцирует в них ЭДС. Для уменьшения трансформаторной ЭДС необходимо уменьшить магнитный поток Фмах. Чтобы мощность электродвигателя при этом осталась прежней, увеличивают число полюсов или применяют одновитковые секции, хотя это приводит к росту числа коллекторных пластин. При помощи добавочных полюсов с обмоткой, включенной в цепь якоря, в коммутируемых секциях создают ЭДС ек, частично компенсирующую ер и ет. Однако полной компенсации указанных ЭДС можно добиться только при определенных значениях тока якоря и его частоты вращения. При других режимах работы электродвигателя условия коммутации остаются тяжелыми. В момент пуска электродвигателя условия коммутации наиболее тяжелы, так как в этот момент противо ЭДС равна нулю, а ЭДС ер и ет достигают наибольших значений. Регулировать частоту и направление вращения ротора однофазного коллекторного двигателя можно теми же способами, что и в двигателях постоянного тока последовательного возбуждения.

Однофазные коллекторные электродвигатели малой мощности (до 500 Вт) не имеют ни компенсационной обмотки, ни добавочных полюсов. Эти двигатели могут работать как от сети постоянного, так и от сети переменного тока, поэтому их называют универсальными коллекторными электродвигателями. Рассматриваемые коллекторные электродвигатели широко используются в электроинструментах различного назначения.

Среднее профессиональное образование
А. В. Грищенко, В. В. Стрекопытов
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Учебник

Электрические машины: двигатели постоянного тока

40 слайдов наглядно представляют принцип работы двигателей постоянного тока, содержат многочисленные схемы и расчеты. Презентация поможет подготовиться к занятиям по спецкурсам электротехнических дисциплин, а также может быть использована для углубленного изучения раздела физики в программе средней школы.

Содержимое разработки

Двигатели постоянного тока

Ермакин Владислав Иванович

преподаватель спецдисциплин энергетического техникума им. Ф. В. Чижова (Кострома)

Двигатель постоянного тока — обратимая электрическая машина ,

преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию ; после несложных переключений способна работать в режиме генератора постоянного тока .

Конструкция машин постоянного тока

  • Статор (ИНДУКТОР) — неподвижная часть МПТ, состоит из станины, на которой укреплены главные полюса с полюсными катушками.
  • Статор конструктивно может иметь два исполнения :

1 . Сборный — состоит из полого металлического цилиндра и прикреплёнными внутри его полюсами. Сердечник полюса выполнен из шихтованных пластин 0,5 -1 мм. Обмотка полюса намотана вокруг его сердечника. Обмотки полюсов соединены между собой последовательно и образуют обмотку возбуждения которая при подключении к источнику постоянного тока создаёт магнитное поле в магнитной системе двигателя .

2. Цельный шихтованный — применяется в машинах мощностью 600 Вт и более. Он состоит из пакета пластин электротехнической стали сложной конфигурации толщиной 0,35 — 0,5 мм.

Главный полюс состоит из шихтованного сердечника (набранного, для уменьшения потерь мощности на вихревые токи , из отдельных пластин электротехнической стали, и прикреплённого болтами к станине), и ОБМОТКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ , Обмотка возбуждения создает магнитный поток Ф машины. Сердечник имеет полюсный наконечник (для создания требуемого распределения магнитного потока). ОВ питается либо от независимого источника постоянного тока, либо включается параллельно (последовательно) зажимам якорной обмотки.

Якорь состоит из цилиндрического шихтованного сердечника (набранного из пластин электротехнической стали, в пазы которого уложена обмотка якоря), и коллектора . Закрепленный на валу двигателя коллектор состоит из ряда изолированных от вала и друг от друга медных пластин, к которым припаяны концы секций обмотки якоря. С помощью коллектора, и щеток осуществляется соединение обмотки якоря с внешней электрической цепью. У двигателей они, кроме того, служат для преобразования постоянного по направлению тока внешней цепи в изменяющийся по направлению ток в проводниках секций обмотки якоря. Дополнительные полюса с расположенной на них обмоткой уменьшают искрение между щетками и коллектором машины. Обмотку дополнительных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря и на электрических схемах часто не изображают. Все обмотки изготовлены из изолированного обмоточного провода.

  • Устройство коллекторных машин постоянного тока

Якорь ( подвижная часть МПТ ) состоит из вала, обмотки якоря, коллектора, двух подшипников и сердечника. Сердечник — это цилиндр собранный из штампованных отожжённых листов электротехнической стали толщиной 0,3-0,5 мм покрытых окисной плёнкой, либо электроизоляционным лаком. Такая сборная конструкция служит для уменьшения потерь на вихревые токи . В пазы сердечника вложены пазовые части обмотки якоря.

Устройство щёточно-коллекторного узла :

Наиболее сложным и ненадежным узлом МПТ является щёточно коллекторный узел , который состоит из щёток (которые крепятся в щеткодержатели) и коллектора который состоит из набора коллекторных пластин трапецеидального сечения, разделенных миканитовыми прокладками. Пластины из меди и миканита удерживаются в сжатом состоянии за нижнюю часть, имеющую форму «ласточкина хвоста». Поверхность медных пластин коллектора в процессе работы машины постепенно истирается щетками. Чтобы при этом миканитовые прокладки не выступали над рабочей поверхностью медных пластин, что могло бы привести к нарушению электрического контакта коллектора со щетками, приходится периодически выполнять «продораживание» коллектора. Эта операция состоит в том, что между рабочими поверхностями коллекторных пластин фрезеруют пазы (дорожки) на глубину до 1,5 мм.

Способы возбуждения машин постоянного тока (способ включения обмотки возбуждения)

  • независимого возбуждения(ОВ подключается к постороннему источнику постоянного тока) – рис.а;
  • параллельного возбуждения(ОВ подключается параллельно ОЯ;шунтоваяобмотка) – рис.б;
  • последовательного возбуждения(ОВ подключается последовательно ОЯ;сериеснаяобмотка) – рис.в;
  • смешанного возбуждения – МПТ конструктивно выполнена с двумя обмотками: одна из которых –шунтовая, другая —сериесная(обмотки возбуждения могут включаться согласно или встречно)рис.г.

Схемы возбуждения МПТ

Способы пуска двигателя постоянного тока

  • 1.Прямой пуск — обмотка якоря подключается непосредственно к сети. Ток якоря двигателя определяется формулой:
  • Если считать, что при прямом пуске значения напряжения питания U и сопротивления якорной обмотки Rя остаются неизменными, то ток якоря зависит от противоЭДСЕя . В начальный момент пуска якоря двигатель неподвижен ( n =0) и Ея=0 .При подключении в обмотке возникает пусковой ток:
  • Обычно сопротивлениеякоря(Rя) невелико, особенно у двигателей большой мощности, поэтому значение пускового тока достигает значений в 10 — 20 раз превышающих номинальный ток двигателя, что недопустимо. При этом возникают перегрузки в электроустановках и питающих кабелях, создается опасность поломки вала машины и появляется сильное искрение в щёточно-коллекторном узле. По этой причине прямой пуск применяется только для двигателей малой мощности, у которыхRяотносительно велико.

Главное уравнение ДПТ

  • При вращении якоря пазовый проводник пресекает линии поля возбуждения с магнитной индукцией B и в соответствии с явлением электромагнитной индукции в проводнике наводится ЭДС Eя направленная навстречу Iя . Поэтому эта ЭДС называется противо ЭДС и она прямо пропорциональна Ф магнитному потоку и частоте вращения n.
  • Eя= Се* Ф * n(1)(n=Eя/Се*Ф)
  • Ce — постоянный коэффициент определяемой конструкцией двигателя.
  • Применив второй закон Кирхгофа получаем уравнение напряжения двигателя .
  • U = Eя+ Iя* ∑R(2)напряжение, приложенное к цепи якоря ДПТ равно сумме противоЭДС индуцируемой в проводниках якорной обмотки и падению напряжения в цепи якоря
  • где ∑R — суммарное сопротивление якорной цепи включающее сопротивление :
  • обмотки якоря, добавочных полюсов, обмотки возбуждения (для двигателей с последовательным возбуждением)
  • из уравнения напряжения двигателя ток якоря:

Связь между оборотами

в минуту и угловой

В момент пуска: противоЭДС равна нулю; пусковой ток достигает значений превышающих номинальный до 10 — 20 раз. E Я = ; n = 0; I пуск = (10 -20)*I ном . Двигатель включается напрямую в сеть, для

чего замыкают контакты К1 и К2. При этом ток I, потребляемый двигателем из сети, в точке «А» разделяется на 2 тока: ток обмотки якоря Iи ток обмотки возбуждения I. В точке «В» эти два тока соединяются. Следовательно, через каждый из контактов, К1 и К2, протекает один и тот же ток I. Прямой пуск электродвигателей допускается при условии, что номинальная мощность двигателя не превышает 0,5 кВт, т.е. Р≤ 0,5 кВт. При прямом пуске пусковой ток якоря двигателя превышает номинальный в десятки раз.

  • способ пуска ДПТ с помощью введения дополнительного сопротивления в цепь якоря. При этом пусковой ток будет равен:
  • Т. о., можно добиться величины пускового тока, диапазоне, безопасном для двигателя. Добавочное сопротивление может быть как в виде реостата, так и в виде нескольких резисторов. Это нужно для того, чтобы в процессе запуска двигателя, менять сопротивление в якорной цепи.
  • С дополнительным сопротивлением в цепи якоря двигатель работает на мягкой искусственной характеристике, которая не соответствует нормальной работе двигателя.
  • Пуск двигателя осуществляется в несколько ступеней. После некоторого разгона двигателя, Епр ограничит ток, а следовательно пусковой момент, чтобы поддержать его на прежнем уровне, нужно уменьшить сопротивление, то есть переключить реостат или шунтировать резистор.

При четырёх ступенях разгона механическая характеристика будет выглядеть следующим образом:

На первой ступени, когда добавочное сопротивление максимально и равно R 1 +R 2 +R 3 двигатель начинает свой разгон. После достижения определенной точки, которую получают с помощью расчетных данных, сопротивление R 3 шунтируют. При этом двигатель переходит на новую характеристику, и разгоняется на ней все до той же точки. Таким образом, двигатель выходит на естественную характеристику, не пострадав от действия больших пусковых токов и моментов.

Пуск при пониженном напряжении

Для того чтобы осуществить пуск на пониженном напряжении, между питающей сетью и электрическим двигателем должен находится источник регулируемого напряжения, например: система «генератор-двигатель», либо источник постоянного тока со схемой электронной регулировки напряжения на выходе, либо ЛАТР (лабораторный автотрансформатор).

Применяется такой способ пуска для двигателей большой мощности, т.к. использование пускового реостата для пуска таких двигателей вызывает значительные потери энергии (на нагрев реостата пусковым током). При этом способе пуска отсутствуют броски тока в цепи якоря. Пуск плавный. В механической части электрического привода отсутствуют удары, но такой способ пуска очень дорогостоящий, так как стоимость источника регулируемого напряжения соизмерима со стоимостью ДПТ.

Двигатель с параллельным возбуждением

Частота вращения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением описывается формулой ниже. Это выражение является электромеханической характеристикой ДПТ:

U – питающее напряжение сети;

I я – ток протекающий в якорной обмотке;

R я – сопротивление якорной цепи;

k – конструктивный коэффициент;

Ф – магнитный поток.

Если подставить формулу момента в выражение частоты вращения, то мы получим электромеханическую характеристику, выраженную через момент:

Если подставить формулу момента в выражение частоты вращения, то мы получим электромеханическую характеристику, выраженную через

Характерной особенностью этого двигателя является то, что ток возбуждения I в не зависит от нагрузки (тока якоря).

Реостат в цепи возбуждения r р г служит для регулирования тока возбуждения I в , -т.е. магнитного потока главных полюсов.

Уравнение электромеханической характеристики

  • При реостатном
  • пуске двигателя,
  • пусковой ток
  • ограничивают
  • введением
  • добавочного
  • сопротивления
  • в якорную цепь
  • двигателя.

Пуск происходит в несколько ступеней – это необходимо для более плавного разгона. Наклон механической характеристики зависит от величины добавочного сопротивления, и чем оно больше, тем наклон круче — характеристика становится более жёсткой.

Рис. 3 – Зависимость наклона мех. характеристики ДПТ от величины добавочного сопротивления

После некоторого разгона двигателя, Е пр ограничит пусковой ток, а следовательно пусковой момент, чтобы поддержать его на прежнем уровне, нужно переключить реостат.

На первой ступени, равно R 1 +R 2 +R 3 двигатель начинает свой разгон. После достижения расчётной точки, сопротивление R 3 шунтируют. При этом двигатель переходит на новую характеристику, и разгоняется на ней все до той же точки. Таким образом, двигатель выходит на естественную характеристику, не пострадав от действия больших пусковых токов и моментов

Рис. 4 – Зависимость частоты вращения ДПТ от питающего напряжения

Рис. 5 – Регулирование скорости вращения ДПТ НВ изменением магнитного потока

Механические характеристики двигателя, полученные при номинальных значениях напряжения на обмотках якоря и тока возбуждения называют естественными .

Если напряжение на обмотках якоря или ток возбуждения отличаются от номинальных значений, или же изменено сопротивление цепи якоря введением R доб , то механиче­ские характеристики называют искусственными .

Искусственные механические характеристики, полученные введением в цепь якоря добавочного сопротивления R доб , называют реостатными

Способы регулирования частоты вращения (числа оборотов; n, об./мин.)

  • реостатный– изменением суммарного сопротивления якорной цепи (включением в цепь якоря дополнительных реостатов – сопротивлений) ;
  • полюсный– изменением магнитного потока создаваемого полюсами машины (изменением тока возбуждения);
  • якорный– изменением величины напряжения, питания якорной цепи ДПТ.

В цепь якоря последовательно включаются цепь регулировочных, последовательно шунтируемых, по мере разгона двигателя, реостатов.

Регулирование скорости ДПТ изменением сопротивления цепи якоря приводит к изменению жесткости характеристик в широких пределах, а потому при скоростях менее половины номинальной стабильность работы двигателя резко ухудшается. По этой причине диапазон регулирования скорости ограничен. Скорость можно регулировать в сторону уменьшения от номинальной. Высокую плавность регулирования обеспечить трудно. Также недостатком является и наличие значительных потерь мощности в регулировочных реостатах.

Выполняется изменением магнитного потока, создаваемого полюсами машины, регулированием тока возбуждения регулировочным реостатом. При ослаблении потока угловая скорость двигателя как при нагрузке, так и при холостом ходе возрастает, а при усилении потока уменьшается. Однако на практике возможно изменение скорости только в сторону увеличения. Благодаря возможности плавного изменения сопротивления реостата появляется и возможность плавного регулирования скорости вращения электродвигателя. Существенными преимуществами данного способа регулирования скорости являются его простота и высокая экономичность.

Регулирование осуществляется изменением величины магнитного потока за счет введения в цепь обмотки возбуждения дополнительного реостата.

  • Если нагрузка на валу больше номинальной, применять полюсное регулирование нельзя, т.к. с уменьшением потокаФток якоря превысит номинальный.
  • Использование полюсного регулирования допустимо лишь для увеличения частоты вращения.
  • Регулировки током возбуждения экономичны и технологически просты, т.к.ОбмоткаВозбуждения (ОВ) у МПТ – слаботочная цепь управления.

возможно только при независимом способе возбуждения машины, т.к. при параллельном возбуждении одновременно изменялся бы и поток Ф , что привело бы к изменению I я , а не n .

От ИРН с переменной полярностью на якорную цепь ДНВ питается напряжением постоянного тока регулируемым от нуля до U н и обратно. Пусковой реостат, при таком способе пуска, не нужен, т.к. пуск начинается с малого напряжения.

Изменение питающего напряжения якоря для ДПТ НВ обеспечивает регулировку частоты вращения вниз от номинальной. Этот способ осуществляют с помощью управляемого тиристорного выпрямителя (рис. а ) или с помощью транзисторного преобразователя (рис. б)

Задача управления двигателем в основном сводится к регулированию частоты вращения . Реже встречается задача управления моментом двигателя. Изменение частоты вращения может достигаться тремя способами: включением реостата Rр в цепь якоря (реостатное регулирование); изменением магнитного потока Φ (полюсное регулирование); изменением подводимого к якорю напряжения (якорное регулирование).

Изменение характе­ристик при регулировке час­тоты вращения ДПТ с помо­щью: а – Ф (параллельное возбуждение); б – Ф или U якоря (последовательное воз­буждение); в – U якоря (независимое возбуждение)

Способ регулирования скорости изменением напряжения , подводимого к обмотке якоря двигателя. Угловая скорость двигателя постоянного тока независимо от нагрузки изменяется прямо пропорционально напряжению, подводимому к якорю.

При этом следует отметить, что все регулировочные характеристики являются жесткими, а степень их жесткости остается неизменной. Таким образом, работа двигателя является стабильной на всех угловых скоростях, и, следовательно, обеспечивается широкий диапазон регулирования скорости независимо от нагрузки. Более того, угловую скорость можно уменьшать и увеличивать относительно номинальной. Также достаточно просто обеспечить и плавное регулирование частоты вращения электродвигателя: для этого достаточно плавно изменять напряжение постоянного тока.

Этот вариант регулирования является наиболее экономичным, поскольку регулирование угловой скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения осуществляется без дополнительных потерь мощности в силовой цепи якоря.

Двигатель с последовательным возбуждением

Характерной особенностью ДПТ ПВ является

то, что в них ток возбуждения равен току якоря ,

в результате чего основной магнитный поток при изменениях нагрузки также изменяется .

Способность ДПТ ПВ развивать большой электромагнитный момент, пропорциональный квадрату тока якоря, обеспечивает им хорошие пусковые свойства, т. е. большой пусковой момент при малом токе якоря. Поэтому такие двигатели применяют в грузоподъёмных, тяговых (электротранспорте) приводах. При уменьшении нагрузки ДПТ ПВ частота вращения резко возрастает и при нагрузке меньше 25% от номинальной может достигнуть опасных значений («разнос»). Поэтому работа двигателя последовательного возбуждения или его пуск при нагрузке на валу меньше 25% от номинальной недопустима. Регулирование скорости вращения производится теми же способами, что и для ДПТ с параллельным возбуждением.

Механические характеристики ДПТ с последовательным возбуждением

Зависимость электромагнитного момента М

от тока нагрузки М=f(I)

Зависимость Вращающего момента ДПТ ПВ от тока якоря ( от тормозного момента ) имеет вид параболы:

Механическая характеристика мягкая – обороты, с увеличением нагрузки резко падают; при работе на небольших нагрузках неконтролируемо возрастают обороты ( Х олостого Х ода), и двигатель идет «вразнос» и может разрушиться. Нельзя допускать работу при ХХ и при нагрузках ниже 30% от номинальной.

При увеличении нагрузки на валу ток I я возрастает относительно медленно и обратно пропорционально ему уменьшается n .

Связь между оборотами в минуту и угловой частотой вращения: n= ω/2 П При увеличении момента в 2 раза ток возрастает лишь до 140% первоначального значения, а n уменьшается до 70%. У двигателя с параллельным возбуждением увеличение момента в 2 раза незначительно снизит n , но ток двигателя I я увеличится до 200% начального.

Двигатель последовательного возбуждения может выдерживать значительные перегрузки томозным моментом при умеренном возрастании тока якоря.

Способы регулирования частоты вращения ДПТ ПВ:

  • реостатное– включения добавочных реостатов последовательно в якорную цепьRря
  • полюсное– осуществляется шунтирование сериесной обмотки возбужденияОВреостатомRш;
  • Безреостатное (якорное)изменением напряжения на якоре (источник с регулируемым напряжением на выходе) чтопозволяет регулировать обороты двигателяnвниз от номинальныхс сохранением высокого КПД двигателя

Реостатное регулирование (включением последовательно в якорную цепь регулировочного реостата)

Полюсное регулирование (включением параллельно ОВ регулировочного реостата)

При шунтировании О бмотки В озбуждения ОВ уменьшается ток возбуждения и поток Ф и увеличиваются обороты n

Особенности данного способа:

а) регулирование только вверх

б) характеристики мягче, чем при регулировании сопротивлении якорной цепи

в) экономическое регулирование за счет малых потерь

г). Регулирование напряжением на зажимах ДПТ.

Якорное регулирование –способ регулирования частоты вращения якоря машины постоянного тока. Он предполагает наличие DC-инвертера (мощного регулируемого источника постоянного напряжения) – от которого питается цепь якоря машины. П рименяется в тяговых двигателях на электротранспорте, в подъемных устройствах. Якорное регулирование — изменением напряжения, подводимого к якорной обмотке требует введения отдельного источника питания для этой обмотки, так как ток возбуждения I В , а следовательно, и напряжение, подаваемое на обмотку возбуждения, при этом способе регулирования меняться не должны.

Частота вращения двигателя при неизменности магнитного потока Ф, т.е. тока возбуждения I В, прямо пропорциональна напряжению, подаваемому на обмотку якоря.

В лабораторных условиях можно реализовать якорное регулирование путем изменения общего напряжения питания, подаваемого на двигатель. При этом постоянство значения тока возбуждения I В поддерживается изменением сопротивления цепи возбуждения с помощью регулировочного реостата РР

Двигатель смешанного возбуждения

Этот двигатель имеет две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную.

Работа ДПТ смешанного возбуждения

  • при этом становится неустойчивой, так как с увеличением нагрузки частота вращения неограниченно растет. Однако при небольшом числе витков последовательной обмотки с увеличением нагрузки частота вращения не возрастает и во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменной.
  • Характеристики ДПТ смешанного возбуждения при согласном включении обмоток.
  • Скоростная и механическая характеристики этого двигателя более жесткие , чем у двигателя последовательного возбуждения, но менее жесткие, чем у двигателя параллельного возбуждения.
  • Эти двигатели могут работать в режиме ХХ, ( в отличие от сериесных) так как поток параллельной обмотки Ф 1 ограничивает частоту вращения n и устраняет опасность «разноса».
  • Регулировать частоту вращения можно реостатом r рг в цепи параллельной обмотки возбуждения. Однако наличие двух обмоток возбуждения удорожает и усложняет машину.

Применение двигателей смешанного возбуждения . Эти двигатели применяют обычно там, где требуются значительные пусковые моменты, быстрое ускорение при разгоне, устойчивая работа и допустимо лишь небольшое снижение частоты вращения при увеличении нагрузки на вал (грузовые подъемники, насосы, компрессоры).

  • Скоростные характеристики ДПТ с разным возбуждением с одинаковыми техническими параметрами
  • Линия 1 — скоростная характеристика двигателя постоянного тока параллельного возбуждения. Линия 2 — скоростная характеристика двигателя постоянного тока смешанного возбуждения .
  • Линия 3 — скоростная характеристика двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.

Потери энергии в МПТ

Упрощённая энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока

Потери мощности и коэффициент полезного действия (КПД) коллекторной машины постоянного тока

  • В машинах постоянного тока, как и в других электрических машинах, имеют место основные и добавочные потери мощности.
  • Основныепотери : Магнитные потери Р м
  • Происходят только в сердечнике якоря, так как только этот элемент магнитной цепи машины подвергается перемагничиванию (так как якорь вращается в магнитном поле).
  • Величина магнитных потерь, состоящих из потерь на гистерезис (на перемагничивание) и потерь от вихревых токов зависит от: частоты перемагничивания сердечника якоря ;
  • значения магнитной индукции в зубцах якоря;
  • толщины листов электротехнической стали, её магнитных свойств и качества изоляции этих листов в сердечнике якоря.
  • Механические потериРмех
  • Складываются из потерь на трение щеток о коллектор, трения в подшипниках и трения крыльчатки вентилятора о воздух. Механические и магнитные потери при постоянной частоте вращения неизменны. Сумма этих потерь составляют потери холостого хода. Р 0 =Р м +Р мех
  • Они обусловлены нагревом обмоток и щеточного контакта. Потери в обмотке якоря: Рэ.а=I2*RaПотери в цепи возбуждения определяются потерями в обмотке возбуждения и в реостате, включенном в цепь возбуждения: Р э.в =U в ·I в .
  • Электрические потери в щеточном контакте : Р э.щ =ΔU щ ·I а
  • Электрические потери зависят от нагрузки машины, поэтому эти потери называют переменными. б) Добавочные потери Р д :
  • Потери в уравнительных соединениях секций обмоток;
  • Потери в стали якоря из-за неравномерного распределения индукции при нагрузке;
  • Потери в полюсных наконечниках из-за пульсации основного потока вследствие зубчатости якоря.
  • Добавочные потери не поддаются точному определению и их принимают равными: для машин без компенсационной обмотки -1% от полезной мощности для генераторов или 1% от потребляемой мощности длядвигателей; для машин с компенсационной обмоткой значение добавочных потерь принимают равными соответственно0,5%.

Мощность на входе машины (потребляемая мощность), вт:

для генератора (механическая мощность) Р 1 =М 1 ·ω ( n=ω/2 П ) Р 1 =М 1 · n · 2 П

для двигателя (электрическая мощность) Р 1 =U·I .

Мощность на выходе машины (полезная мощность), Вт:

для генератора (электрическая мощность) Р 2 =U·I

для двигателя (механическая мощность) Р 2 =М 2 · n · 2 П

Здесь М 1 и М 2 – моменты на валу машины, Н·м; n — обороты вращения якоря, об/мин.

Коэффициент полезного действия η=Р 2 /Р 1

КПД это отношение полезной мощности Р 2 к потребляемой Р 1: Суммарная мощность потерь ΣP=Р м +Р мех +Р э.а +Р э.в +Р э.щ +Р д, тогда формулы определения КПД:

для генератора η г =Р 2 /Р 1 =Р 2 /(Р 2 + ΣP)= U·I/(U·I+ΣP

для двигателя η д = Р 2 /Р 1 =(Р 1 — ΣP)/Р 1 = (U·I+ΣP)/(U·I).

КПД машин постоянного тока мощностью от 1 до 100 кВт составляет 0,75-0,90, а для машин мощностью свыше 100 кВт 0,90-0,97.

КПД электрической машины можно определять:

а) методом непосредственной нагрузки по результатам измерений потребляемой мощности Р 1 и полезной мощности Р 2, но он применим только для машин малой мощности;

б) косвенным методом по результатам измерений потерь.

Реверс по цепи возбуждения машин постоянного тока независимого возбуждения

СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ МАШИН

Большинство синхронных машин имеет электромагнит­ное возбуждение. Источниками постоянного тока для обмо­ток возбуждения являются специальные системы возбуж­дения, к которым предъявляется ряд важных требований:

1) надежное и устойчивое регулирование тока возбуж­дения в любых режимах работы машины;

2) достаточное быстродействие, для чего применяется форсировка возбуждения, т. е. быстрое увеличение напря­жения возбуждения до предельного значения, называемого потолочным. Форсировка возбуждения применяется для поддержания устойчивой работы машины во время аварий и в процессе ликвидации их последствий. Потолочное напряжение возбуждения выбирают не менее 1,8-2 номи­нального напряжения возбуждения. Скорость нарастания напряжения при форсировке возбуждения должна быть не менее 1,5-2 номинальных напряжений на контактных кольцах ротора в секунду;

3) быстрое гашение магнитного поля, т. е. уменьшение тока возбуждения машины до нуля без значительного по­вышения напряжения на ее обхмотках. Необходимость в гашении поля возникает при отключении генератора или по­вреждении в нем.

Для возбуждения синхронных машин применяется не­сколько систем. Простейшей из них является электрома­шинная система возбуждения с возбудителем постоянного тока (рис. 15). В этой системе в качестве источника ис­пользуют специальный генератор постоянного тока GE, на­зываемый возбудителем; он приводится во вращение от ва­ла синхронного генератора, а его мощность составляет 1- 3 % мощности синхронного генератора. Ток возбуждения синхронной машины Iв относительно велик и составляет не­сколько сотен и даже тысяч ампер. Поэтому его регулиру­ют с помощью реостатов, установленных в цепи возбуждения возбудителя. Возбуждение возбудителя осуществляют по схеме самовозбуждения (рис. 15) или независимого возбуждения от специального генератора постоянного тока GEA, называемого подвозбудителем (рис. 16). Подвозбудитель работает с самовозбуждением, и сопротивление резистора Rш2 при работе генератора не изменяется.

Для гашения магнитного поля применяют автомат га­шения поля (АГП), который состоит из контакторов К1 и К2 и гасительного резистора Rp. Гашение поля проводит­ся в следующем порядке. При включенном контакторе К1 включается контактор К2, замыкающий обмотку возбуж­дения на гасительный резистор, имеющий сопротивления rp≈5 rв, где rв — сопротивление обмотки возбуждения. За­тем происходит размыкание контактора К1 и ток в цепи об­мотки возбуждения генератора уменьшается (рис. 17).

Ток возбуждения можно было бы снизить до нуля от­ключением только одного контактора К1 без включения га­сительного резистора. Ток возбуждения в этом случае исчез бы практически мгновенно. Но мгновенный разрыв цепи возбуждения недопустим, так как из-за большой ин­дуктивности обмотки возбуждения Lв в ней индуктирова­лась бы большая ЭДС самоиндукции е= Lвdiв/dt, превы­шающая в несколько раз номинальное напряжение, в результате чего возможен пробой изоляции этой обмотки. Кроме того, в контакторе К1 при его отключении выделя­лась бы значительная энергия, запасенная в магнитном по­ле обмотки возбуждения, что могло бы вызвать разрушение контактора.

Форсировка возбуждения при использовании схем на рис. 15 и 16 осуществляется шунтированием резисто­ра Rш1 включенного в цепь возбуждения возбудителя.

В последнее время вместо электромашинных систем по­лучают все большее применение вентильные системы воз­буждения с диодами и тиристорами. Эти системы возбуж­дения могут быть построены на большие мощности и явля­ются более надежными, чем электромашинные.

Различают три разновидности вентильных систем воз­буждения: систему с самовозбуждением, независимую си­стему возбуждения и бесщеточную систему возбуждения.

В вентильной системе с самовозбуждением (рис. 18) для возбуждения синхронной машины используется энер­гия, отбираемая от обмотки якоря основного генератора G, которая затем преобразуется статическим преобразователем ПУ в энергию постоянного тока. Эта энергия поступает в обмотку возбуждения. Начальное возбуждение генерато­ра происходит за счет остаточного намагничивания его по­люсов.

Разновидностью вентильной независимой системы воз­буждения является бесщеточная система возбуждения. В этом случае на валу основной синхронной машины раз­мещается якорь возбудителя переменного тока с трехфаз­ной обмоткой. Переменное напряжение этой обмотки с по­мощью выпрямительного моста, закрепленного на валу машины, преобразуется в постоянное напряжение и непо­средственно (без колец) подается на обмотку возбуждения основного генератора. Обмотка возбуждения возбудителя располагается на статоре и получает питание от независи­мого источника.

Реверс по цепи возбуждения машин постоянного тока независимого возбуждения

Электродвигателю постоянного тока со смешанным возбуж­дением (компаундному электродвигателю) до некоторой сте­пени присущи свойства рассмотренных выше электродвигателей с параллельным и последовательным возбуждением. Дан­ный электродвигатель снабжается двумя обмотками возбуждения: последовательной и па­раллельной.

Принципиальная схема такого электродвигателя приведена на рис. 31, где по­следовательная обмотка обо­значена СОВ, а параллель­ ная— ШОВ. Обычно на клеммных коробках электродвигате­лей обозначают: выводы от по­следовательной обмотки С 1 и С 2 , выводы от параллельной обмотки — Ш 1 и Ш 2 , а выводы от обмотки якоря — Я 1 и Я 2 . На схемах же указанные об­мотки могут обозначаться по-разному: СОВ и ШОВ, С 1С 2 и Ш 1Ш 2 .

Последовательная и параллельная обмотки возбуждения мо­гут включаться двояким образом. В одних случаях они вклю­чаются так, чтобы создаваемые ими ампер-витки, а следова­тельно, и магнитные потоки складывались. Такое включение обмоток принято называть согласным. Очевидно, что при согласном включении результирующий магнитный поток элект­родвигателя

В других случаях обмотки возбуждения включаются в цепь таким образом, чтобы создаваемые ими ампер-витки (и магнит­ные потоки) были направлены навстречу друг другу. Такое включение обмоток называют встречным. При встречном включении результирующий магнитный поток электродвигателя

Каждый электрик должен знать:  Поверхностный эффект и эффект близости

Встречное включение обмоток возбуждения применяется лишь в машинах специального назначения. В обычных же кра­новых электродвигателях со смешанным возбуждением обмот­ки всегда включены согласно, поэтому при дальнейшем изло­жении материала будем предполагать, что ампер-витки обеих обмоток (и магнитные потоки) складываются, т. е. обмотки включены согласно и для электродвигателя справедливо равен­ство (69).

Наличие двух обмоток возбуждения позволяет конструиро­вать и изготавливать электродвигатели с различными свой­ствами и характеристиками. При естественной схеме включе­ния характеристики рассматриваемого электродвигателя жестче, чем у электродвигателей с последовательным возбуждением, и мягче, чем у электродвигателей с параллельным возбуждени­ем. Однако в зависимости от соотношения ампер-витков, созда­ваемых параллельной и последовательной обмотками, характе­ристики электродвигателя по своему характеру приближаются либо к характеристикам электродвигателя с последовательным возбуждением, либо с параллельным.

Для подъемно-транспортных машин выпускаются электро­двигатели, в которых при полной нагрузке половина ампер-вит­ков возбуждения создается параллельной обмоткой, а полови­на — последовательной.

В случае изменения нагрузки магнитный поток электродви­гателя со смешанным возбуждением не остается постоянным, так как ампер-витки, создаваемые последовательной обмоткой, определяются током якоря. Зависимость результирующего маг­нитного потока от тока якоря приведена на рис. 32, а, который показывает, что каждому значению тока якоря соответствует определенный магнитный поток и, следовательно, вращающий момент М = кФI я при изменении нагрузки меняется не только за счет изменения тока якоря, но и за счет магнитного потока возбуждения. Зависимость М = f (I я ) для электродвигателя со смешанным возбуждением показана на рис. 32, б.

Конструкция и принцип действия двигателя постоянного тока независимого возбуждения

ДПТ состоит из трех основных частей: статора с обмоткой возбуждения, ротора с якорной обмоткой и щеточно-коллекторного узла, необходимого для подведения напряжения к обмотке якоря (далее ОЯ). При этом щетки неподвижны, а коллектор жестко связан с якорем.

В ДПТ для улучшения условий коммутации могут быть также предусмотрены и дополнительные полюса, а для компенсации поперечной реакции якоря и компенсационные обмотки на полюсах статора.

В зависимости от способа электромагнитного возбуждения ДПТ подразделяют на ДПТ с НВ, ПВ, смешанным возбуждением и параллельным возбуждением.

Двигатели независимого возбуждения могут быть разделены на двигатели с электромагнитным возбужде­нием, когда обмотка возбужде­ния подключена к постороннему источнику постоянного тока или на зажимы двигателя, и на дви­гатели с магнитоэлектрическим возбуждением, когда вместо обмотки возбуждения исполь­зуются постоянные магниты.

Необходимым условием процесса преобразования энергии является протекание переменных токов хотя бы по части обмоток машины. В двигателе постоянного тока это условие выполняется работой коллектора, коммутирующего постоянный ток, поступающий от источника питания, с частотой ωэл, равный угловой скорости вращения ротора.

Рис.6.1. Двухфазная модель двигателя постоянного тока c независимым возбуждением

Обмотка статора по оси β включена на постоянное напряжение Uв. Обмотки ротора 2 d и 2q получают питание от преобразователя частоты ПЧ, осуществляющего коммутацию токов i2d и i2q в функции угла поворота φэл с частотой ωэл. Если коммутация осуществляется механическим коммутатором-коллектором, то мы имеем обобщенную электрическую модель двигателя постоянного тока. В случае применения в качестве ПЧ вентильного преобразователя частоты, мы имеем модель вентильного двигателя.

МДС статора неподвижна в пространстве; она создается током возбуждения iв= i, а ее направление соответствует направлению оси β. Соответственно и МДС ротора при его вращении со скоростью ω должна быть неподвижна относительно статора, что возможно лишь при условии вращения МДС ротора против его вращения со скоростью ω. Это условие выполняется, если обмотки ротора обтекаются токами, изменяющимися по законам:

МДС ротора в этом случае неподвижна относительно статора, поэтому для математического описания динамических процессов преобразования энергии в двигателе постоянного тока целесообразно использовать формулы прямого преобразования координат обобщенной машины: α, β, d, q -› α, β (ωк=0). Для роторных переменных они имеют вид:

Подставив u=α, v=β, , получим:

Следовательно, в осях α, β действительным переменным токам обмотки ротора эквивалентна одна якорная обмотка, ось которой совпадает с осью α и которая обтекается постоянным током iя. В реальной машине по оси α расположены также обмотка дополнительных полюсов и компенсационная обмотка. Поэтому модель двигателя постоянного тока в осях α, β будет иметь вид (рис. 6.1б).

Дата добавления: 2015-04-21 ; просмотров: 11 ; Нарушение авторских прав

Электрические машины постоянного тока: устройство и принцип действия

Устройство машины постоянного тока при первом знакомстве кажется сложным. Но если понять происходящие внутри процессы, ситуация существенно прояснится.

Машины постоянного тока: что это?

Применение электрического тока в основном заключается в превращении его в иные виды энергии, в частности, механическую. Также и механическая энергия может быть превращена в электрическую.

Этими преобразованиями занимаются машины постоянного и переменного тока. У первых в обмотку возбуждения подается постоянный ток.

Машины постоянного тока (МПТ), преобразующие механическую энергию в электричество, называются генераторами. Выполняющие обратное преобразование — двигателями.

Устройство

МПТ состоят из двух частей:

  1. индуктор: неподвижная часть;
  2. якорь: вращается внутри индуктора.

В машинах переменного тока индуктор и якорь принято называть, соответственно, статором и ротором. Индуктор создает первичное магнитное поле, воздействующее на якорь с целью навести в нем ЭДС (генератор) либо заставить его вращаться (двигатель).

В маломощных МПТ индуктором иногда выступает постоянный магнит, но чаще с целью добиться однородного магнитного потока применяют электромагнит, то есть систему катушек, создающих при протекании через них постоянного тока магнитное поле обмотка возбуждения (ОВ).

Устройство машины постоянного тока

Каждая катушка намотана на сердечник, вместе они образуют магнитный полюс. Для надлежащего распределения магнитного потока сердечник снабжен специальным наконечником. Основных полюсов может быть несколько. Помимо них применяются добавочные, обеспечивающие безыскровую работу коллектора. Последний представляет собой важный элемент МПТ, его функция будет рассмотрена ниже.

Ярмо индуктора одновременно является станиной МПТ, потому его так обычно и называют. К нему крепятся магнитные полюсы и подшипниковые щиты (вращается вал якоря). В сущности, ярмо — это лишь часть станины, по которой замыкаются магнитные потоки основных и добавочных полюсов.

Якорь представляет собой сердечник с пазами, содержащими уложенный в определенном порядке провод — обмотку. Сердечник закреплен на валу, вращающемся в подшипниках. Здесь же закреплен коллектор.

Коллектор обеспечивает возможность подачи питания на обмотку вращающегося якоря. Он является подвижной частью так называемого скользящего коллекторного контакта, и состоит из нескольких изолированных друг от друга сегментообразных медных пластин, закрепленных в виде цилиндра на валу якоря. Неподвижная часть контакта представлена графитовыми или медно-графитовыми щетками, закрепленными в щеткодержателях. Пружинами они придавливаются к пластинам коллектора.

Принцип действия

Особенности функционирования МПТ зависит от того, в каком режиме она работает — генератора или двигателя. Далее подробно рассматриваются оба варианта.

Генератор

Принцип работы генератора постоянного тока основан на явлении электромагнитной индукции. Состоит оно в том, что при изменении магнитного потока, пересекающего проводник, в последнем наводится ЭДС.

Принцип действия генератора постоянного тока

Чтобы добиться изменения магнитного потока, меняют параметры поля либо двигают в постоянном поле проводник. По второму варианту и работает генератор постоянного тока: обмотка якоря приводится во вращение внешней механической силой.

Очевидно, что после поворота витков обмотки на 180 градусов ЭДС окажется направленной противоположно. Сохранить ток в подключенной к генератору цепи постоянным, то есть однонаправленным, помогает коллектор: в нужный момент он переподключает концы обмотки якоря к противоположным контактам цепи (щеткам). То есть в этой машине коллектор играет роль механического выпрямителя.

Двигатель

Работа МПТ в режиме двигателя обусловлена возникновением так называемой амперовой силы. Она действует на помещенный в магнитное поле проводник при протекании по нему тока. Направление амперовой силы определяется по правилу левой руки.

Сила Ампера появляется благодаря следующему механизму:

  1. при протекании тока вокруг проводника возникает магнитное поле с силовыми линиями, концентрически окружающими проводник (круговое поле);
  2. вектор его индукции по одну сторону от проводника сонаправлен с вектором индукции первичного магнитного поля, в которое проводник помещен. С этой стороны первичное поле усиливается;
  3. по другую сторону вектор наведенного электротоком поля направлен противоположно вектору индукции первичного поля, соответственно, здесь оно гасится;
  4. разница в индукции поля по обе стороны проводника активирует к возникновению данной силы. Определяется она по формуле: F = B * I * L, где: B — магнитная индукция первичного поля, I — сила тока в проводнике, L — длина проводника.

Как и в случае с генератором, после поворота витка обмотки якоря в определенное положение, требуется переключение контактов для изменения в ней направления тока либо полярности индуктора. Поэтому в режиме двигателя коллектор также необходим.

У коллекторных двигателей есть преимущества:

  • простота и широкий диапазон регулировки;
  • жесткая механическая характеристика (вращающий момент остается стабильным).

Недостаток — низкая надежность коллектора и его сложность, негативно отражающаяся на стоимости двигателя.

Вот какими нежелательными явлениями сопровождается работа узла:

  • искрение;
  • засорение токопроводящей графитовой пылью (щетки выполнены из этого материала);
  • появление помех в сети;
  • при значительной нагрузке — кольцевое искрение («круговой огонь»), приводящее к выгоранию коллекторных пластин.

В целях борьбы с недостатками в некоторых современных двигателях постоянного тока (ДПТ) применены следующие решения:

  1. обмотки якоря и индуктора меняются местами: первую размещают на неподвижной части (статоре), вторую — на вращающейся (роторе). Скользящий контакт при этом остается, но из-за низкой нагрузки в обмотке возбуждения, он намного проще и надежнее коллекторно-щеточного;
  2. переключение между обмотками якоря, теперь расположенного в неподвижной части, осуществляется при помощи полупроводниковых ключей, срабатывающих по сигналу датчика положения ротора. То есть механический переключатель (коллектор) заменен электронным.

Такие двигатели называют бесколлекторными, за рубежом — BLDC-двигателями.

Классификация МПТ по способу питания обмоток индуктора и якоря

По данному признаку МПТ делятся на 4 вида.

С независимым возбуждением

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

Область применения генераторов с независимым возбуждением:

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

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

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

С параллельным возбуждением

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

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

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

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

С последовательным возбуждением

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

Схема последовательного возбуждения

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

С параллельно-последовательным (смешанным) возбуждением

Существует два вида схемы:

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

Схемы систем возбуждения МПТ

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

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

Видео по теме

Об устройстве и принципе работы двигателя постоянного тока в видео:

Несмотря на преобладание тока переменного, машины постоянного тока остаются востребованными. Это объясняется их экономичностью, простотой регулировки и рядом прочих достоинств. Коллекторные двигатели, в сущности, универсальны, поскольку могут работать и на переменном токе (направление тока в обмотках все время совпадает).

Тормозные режимы двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.

Торможение двигателя с последовательным возбуждением возможно двумя путями: торможением противовключения и динамическим торможением.

Динамическое торможение бывает:

— с независимым возбуждением;

Рекуперативное торможение для двигателя с последовательным возбуждением реализовать нельзя, т.к. w отсутствует.

1. Режим противовключения.

Режим торможения противовключением реализуется также, как и для двигателя с параллельным возбуждением. Существуют три способа торможения противовключением.

а) При приложении к валу двигателя движущегося активного момента, когда этот момент становится больше момента короткого замыкания и он вращает якорь двигателя в противоположную сторону, чем в двигательном режиме

Дата добавления: 2020-02-09 ; просмотров: 3493 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Исследование механических характеристик машины постоянного тока независимого возбуждения в двигательном и генераторном режиме и противовключении

2. исследование механических характеристик машины
постоянного тока независимого возбуждения
в двигательном и генераторном режиме и

Ц е л ь р а б о т ы: исследовать работу машины постоянного тока с независимым возбуждением в двигательном и генераторном режиме и противовключении, построить соответствующие механические характеристики [].

2.1. Краткие теоретические сведения

Электрическая машина любого типа (как постоянного так и переменного тока), используемая в системах электропривода, может работать в двигательном и тормозных режимах.

Для отражения свойств приводной электрической машины применяют следующие характеристики:

— электромеханическую, представляющей собой зависимость угловой скорости w или частоты вращения n двигателя от тока, протекающего по обмотке якоря: w = f (Iа) или n = f (Iа);

— механическую, представляющей собой зависимость угловой скорости w или частоты вращения n двигателя от электромагнитного момента М: w = f (М) или n = f (М).

Принятая единица измерения угловой скорости w – рад/с, а частоты вращения n – об/мин.

Известно уравнение, составленное по второму закону Кирхгофа для цепи якоря двигателя постоянного тока в установившемся режиме его работы [],

где Ua – напряжение, подключенное к обмотке якоря;

Ea – электродвижущая сила (ЭДС), наводимая основным магнитным потоком в обмотке якоря;

Ia – ток, протекающий в обмотке якоря (в генераторном режиме направление тока якоря меняется на противоположное);

k – коэффициент, обусловленный конструктивными параметрами машины;

Ф – основной магнитный поток;

Ra – суммарное сопротивление в цепи обмотки якоря, равное Ra = rа + Rр ;

rа – сопротивление обмоток машины, включенных последовательно в цепь якоря, графитовых щеток, переходного скользящего контакта и соединений, выполненных в цепи якоря непосредственно в самой электрической машине;

Rр – сопротивление реостатов, подключенных последовательно к обмотке якоря.

Выразив из (2.1) угловую скорость, получим скоростную, или электромеханическую, характеристику:

Известна зависимость для определения электромагнитного момента МПТ [],

Выразив из (2.3) ток якоря и подставив его в выражение (2.2), получим:

Как видно из выражения (2.4) , если не учитывать размагничивающее действие реакции якоря, механическая харак­те­рис­тика машины постоянного тока с неза­висимым воз­буж­дением при не­измен­ных зна­чениях Uа, Ф и Rа предс­тавляет собой прямую линию (рис. 2.1).

При моменте, равном нулю (М = 0), все характеристики, соответствующие различным значениям Rр, проходят через одну точку, лежащую на оси ординат. Угловая скорость в этой точке имеет значение (w0 = Uа / kФ), не зависящее от значения сопротивления цепи якоря. Режим работы машины с такой скоростью вращения ротора называется идеальным холостым ходом. В таком режиме работы ток в цепи якоря отсутствует (Iа = 0), ЭДС обмотки якоря равна напряжению (Еа = Uа). Такой режим может возникнуть при движении привода под действием внешней силы, например, силы тяжести, которая скомпенсировала силу трения, противодействующую движению.

Второе слагаемое уравнения (2.4) характеризует изменение угловой скорости , т. е. наклон (жесткость) механической характеристики.

Естественная характеристика двигателя получается при Rр = 0 (т. е. Rа = rа), номинальных значениях напряжения Uа и магнитного потока Ф. Механические характеристики, получаемые при включении в цепь обмотки якоря реостата (Rp > 0), называются искусственными, или реостатными.

Двигательный режим характеризуется тем, что машина преобразует электрическую энергию, потребляемую от источника, в механическую и передает ее рабочему механизму.

При этом момент и частота вращения ротора направлены в одну сторону:

I квадрант (w > 0, М > 0) – вращение ротора происходит в сторону, совпадающую той, что выбрана за положительное направление вращения (см. рис. 2.1);

III квадрант (w w0). В этом случае ЭДС, наводимая в обмотке якоря, превышает напряжение, приложенное к ней (Еа > Uа), следовательно, машина становится источником, а сеть – приемником электроэнергии (направление тока якоря изменяется на противоположное).

Такой способ торможения применяется в приводах подъемных механизмов при спуске груза, или на тяге при движении с горки.

Генераторное торможение наиболее экономично, поскольку оно сопровождается отдачей электроэнергии в сеть.

Торможение противовключением (режим электромагнитного тормоза) характеризуется тем, что машина потребляет из сети электрическую энергию, расходуемую на торможение ротора, движущегося под действием внешнего момента или сил инерции. Вся потребляемая энергия преобразуется в тепловую.

Такой способ позволяет осуществить быстрое торможение рабочего механизма. На практике данный режим осуществляется путем смены полярности напряжения, приложенного к обмотке якоря. Также такой режим, как аварийный, может возникнуть в электроприводе грузоподъемных механизмов, когда двигатель включен на подъем, а тяжесть груза заставляет вращаться привод в обратном направлении.

Ток якоря при торможении противовключением значительно превышает номинальное значение. Для его ограничения в цепь якоря вводится добавочное сопротивление Rр.

2.2. Методические рекомендации к проведению исследования

Для выполнения экспериментального исследования необходимо:

1) Изучить электрическую схему лабораторного стенда (рис. 2.2).

Записать паспортные данные машины постоянного тока: номинальные частоту вращения якоря nн, ток обмотки якоря Iан, мощность Pн.

2) Собрать на лабораторном стенде схему для исследования (рис. 2.2).

3) Привести переключатели схемы в исходное положение:

а) на модулях «Модуль питания стенда» и «Модуль питания» автоматы отключить;

б) на модуле «Модуль добавочных сопротивлений» переключатель перевести в положение «0» (против часовой стрелки до упора);

в) на модуле «Тиристорный преобразователь» кнопку «Сеть» отключить, переключатель SA1 перевести в положение «Iя», SA2 – «Скорость», SA3 – «Руч», SA4 – «НМ», SA5 перевести в среднее положение «Стоп», SA6 «Разрешение» перевести в нижнее положение, движок потенциометра RP1 выкрутить против часовой стрелки до упора – в положение «0»;

г) на модуле «Преобразователь частоты» переключатель SA1 «Разрешение» перевести в нижнее положение, SA2 перевести в среднее положение, SA3 – в положение «Скорость», движок потенциометра RP1 выкрутить против часовой стрелки до упора – в положение «0».

Рис. 2.2. Схема испытания двигателя постоянного тока с независимым

возбуждением в двигательном и генераторном режиме и противовключении

4) Перед включением необходимо, чтобы схема испытания была проверена преподавателем.

5) Последовательность действий при выполнении эксперимента:

а) автоматы на модулях «Модуль питания стенда» и «Модуль питания» включить, на модуле «Тиристорный преобразователь» кнопку «Сеть» включить, переключатель SA5 перевести в верхнее положение «Вперед», SA6 «Разрешение» перевести в верхнее положение, на модуле «Преобразователь частоты» переключатель SA1 «Разрешение» перевести в верхнее положение, переключатель SA2 перевести в верхнее положение «Вперед»;

б) на модуле «Тиристорный преобразователь» вращая по часовой стрелке движок потенциометра RP1, проверить направление вращения ротора испытуемой МПТ в двигательном режиме и вновь остановить ротор, вернув движок потенциометра RP1 в исходное положение;

в) на модуле «Преобразователь частоты» движок потенциометра RP1 вращая по часовой стрелке, проверить направление вращения ротора асинхронной машины в двигательном режиме и вновь остановить ротор, вернув движок потенциометра RP1 в исходное положение;

г) в случае если направление вращения ротора асинхронной машины в двигательном режиме не совпало с направлением вращения ротора испытуемой МПТ в двигательном режиме, необходимо изменить порядок чередования фаз, подключенных к обмотке статора асинхронной машины;

д) на модуле «Преобразователь частоты» вращая по часовой стрелке движок потенциометра RP1, довести частоту вращения ротора асинхронной машины до значения n0 = 1000 об/мин (показания контролировать на модуле «Силовой модуль» по датчику скорости) и на модуле «Преобразователь частоты» переключатель SA1 «Разрешение» перевести в нижнее положение (вращение ротора остановится);

е) на модуле «Тиристорный преобразователь» вращая по часовой стрелке движок потенциометра RP1, довести частоту вращения ротора испытуемой МПТ до значения n0, на модуле «Преобразователь частоты» переключатель SA1 «Разрешение» перевести в верхнее положение (обе машины подключены к сети и совместно вращаются в двигательном режиме, не нагружая одна другую);

ж) обратить внимание в следующих пунктах при снятии механических характеристик: ток якоря Ia испытуемой МПТ не должен превышать ±1 А;

з) для снятия механической характеристики в режиме генераторного торможения, идеального холостого хода, двигательного режима и короткого замыкания, регулируя скорость вращения ротора МПТ с помощью асинхронной машины (на модуле «Преобразователь частоты» вращать движок потенциометра RP1), записать показания тока якоря Ia и частоты вращения n в таблицу 2.1 (рекомендуется зафиксировать по одной точке в каждом режиме);

и) для снятия механической характеристики в режиме торможения противовключением:

— на модуле «Преобразователь частоты» выкрутить движок потенциометра RP1 против часовой стрелки до упора в положение «0» (переведя машину в режим короткого замыкания – ротор заторможен),

— на модуле «Преобразователь частоты» переключатель SA2 перевести в нижнее положение «Назад»,

— на модуле «Преобразователь частоты» вращая движок потенциометра RP1 по часовой стрелке, записать показания тока якоря Ia и частоты вращения n в таблицу 2.1;

к) снять реостатные механические характеристики, повторив два предыдущих пункта при введенном добавочном сопротивлении в цепь якоря МПТ (значение величины сопротивления задается преподавателем на модуле «Модуль добавочных сопротивлений»);

л) по завершении снятия показаний:

— привести схему к режиму работы двигателей без нагрузки (частота вращения вновь станет равной n0 = 1000 об/мин);

— на модуле «Преобразователь частоты» переключатель SA1 «Разрешение» перевести в нижнее положение;

— на модуле «Тиристорный преобразователь» движок потенциометра RP1 выкрутить против часовой стрелки до упора, уменьшив частоту вращения ротора испытуемой МПТ до нуля;

— привести переключатели на стенде в исходное положение см. п.3.

Т а б л и ц а 2.1

Результаты измерения и расчета механических характеристик МПТ

2.3. Расчеты и построения

1) Рассчитать электромагнитный момент, создаваемый испытуемой машиной постоянного тока по следующему выражению, полученному из (2.3) для случая МПТ с независимым возбуждением без учета реакции якоря:

Постоянный коэффициент С = может быть найден из паспортных данных машины:

где Iан – номинальное значение тока якоря двигателя, А;

Рн – номинальная мощность на валу двигателя, Вт;

nн – номинальная частота вращения двигателя, об/мин.

2) Построить снятые механические характеристики двигателя n = f (M).

2.4. Контрольные вопросы

1) В чем отличие двигательного от всех тормозных режимов работы?

2) Как осуществляется переход в режим рекуперативного торможения?

3) В чем суть режима рекуперативного торможения и каковы его преимущества?

4) Как осуществляется переход в режим электромагнитного торможения?

5) В чем суть режима электромагнитного торможения и каковы его преимущества?

3. исследование механических характеристик машины
постоянного тока независимого возбуждения
в режиме динамического (реостатного) торможения

Ц е л ь р а б о т ы: исследовать работу двигателя постоянного тока с независимым возбуждением в режиме динамического торможения, построить соответствующие механические характеристики [].

3.1. Краткие теоретические сведения

Для осуществления режима динамического торможения МПТ необходимо ее обмотку возбуждения подключить к источнику постоянного тока, а обмотку якоря подключить к нагрузочным сопротивлениям Rн для работы на реостатной характеристике или замкнуть накоротко – на естественной.

Работа МПТ в данном режиме соответствует работе в генераторном режиме, но при этом электрическая цепь, подключенная к обмотке якоря не имеет источников, т. е. Ua = 0.

Уравнение, составленное по второму закону Кирхгофа для цепи якоря машины постоянного тока в установившемся режиме динамического торможения имеет вид:

Режим динамического торможения характеризуется тем, что механическая энергия вращения преобразуется в электрическую энергию, которая впоследствии преобразуется в цепи якоря в тепловую энергию реостатами или самой обмоткой якоря, если она замкнута накоротко.

Преобразуя выражение (3.1), получим выражение для определения угловой скорости, которое будет отличаться от (2.4) и иметь вид:

из которого видно, что механические характеристики МПТ, в режиме динамического торможения выходят из начала координат (рис. 3.1).

Такой способ торможения МПТ применим практически в любых устройствах.

Преимущества данного способа: малая стоимость тормозных реостатов по сравнению с устройствами необходимыми для других способов торможения, возможность торможения при малых скоростях движения (практически до остановки).

Недостатки данного способа: с уменьшением скорости до нуля момент также уменьшается до нуля, электрическая энергия не возвращается обратно в сеть.

3.2. Методические рекомендации к проведению исследования

Для выполнения экспериментального исследования необходимо:

1) Изучить электрическую схему лабораторного стенда (рис. 3.2).

Записать паспортные данные машины постоянного тока: номинальные частоту вращения якоря nн, ток обмотки якоря Iан, мощность Pн.

2) Собрать на лабораторном стенде схему для исследования (рис. 3.2).

3) Привести переключатели схемы в исходное положение:

а) автоматы на модулях «Модуль питания стенда» и «Модуль питания» отключить;

б) переключатель на модуле «Модуль добавочных сопротивлений» перевести в положение «0» (против часовой стрелки до упора);

в) на модуле «Преобразователь частоты» переключатель SA1 «Разрешение» перевести в нижнее положение, SA2 перевести в среднее положение, SA3 – в положение «Скорость», движок потенциометра RP1 выкрутить против часовой стрелки до упора – в положение «0».

Рис. 3.2. Схема испытания двигателя постоянного тока

с независимым возбуждением в режиме динамического торможения

4) Перед включением необходимо, чтобы схема испытания была проверена преподавателем.

5) Последовательность действий при выполнении эксперимента:

а) автоматы на модулях «Модуль питания стенда» и «Модуль питания» включить, на модуле «Преобразователь частоты» переключатель SA1 переключить в верхнее положение, SA2 – в положение «Вперед»;

б) обратить внимание в следующих пунктах при снятии механических характеристик: ток якоря Ia испытуемой МПТ не должен превышать ±1 А;

в) для снятия механической характеристики в режиме динамического торможения, регулируя скорость вращения ротора МПТ с помощью асинхронной машины (на модуле «Преобразователь частоты» вращать движок потенциометра RP1), записать показания тока якоря Ia и частоты вращения n в таблицу 3.1 (рекомендуется зафиксировать не менее трёх точек на характеристике);

г) снять реостатные механические характеристики, повторив предыдущий пункт при введенном добавочном сопротивлении в цепь якоря МПТ (значение величины сопротивления задается преподавателем на модуле «Модуль добавочных сопротивлений»);

д) по завершении снятия показаний:

— на модуле «Преобразователь частоты» движок потенциометра RP1 выкрутить против часовой стрелки до упора, уменьшив частоту вращения ротора испытуемой МПТ до нуля;

— на модуле «Преобразователь частоты» переключатель SA1 «Разрешение» перевести в нижнее положение;

— привести переключатели на стенде в исходное положение см. п.3.

Т а б л и ц а 3.1

Результаты измерения и расчета механических характеристик МПТ

3.3. Расчеты и построения

1) Рассчитать коэффициент С по выражению (2.6) и электромагнитный момент, создаваемый испытуемой машиной постоянного тока, по выражению (2.5).

2) Построить снятые механические характеристики двигателя n = f (M).

3.4. Контрольные вопросы

1) В чем преимущество тормозных режимов МПТ по сравнению с механическими системами торможения?

2) Как осуществляется переход в режим динамического торможения?

3) В чем суть режима динамического торможения?

4) В чем преимущества и недостатки режима динамического торможения от других тормозных режимов МПТ?

5) Как изменяется наклон механических характеристик при увеличении сопротивления в цепи якоря?

4. исследование механических характеристик
асинхронной машины в двигательном
и генераторном режиме и противовключении

Ц е л ь р а б о т ы: исследовать работу асинхронной машины в двигательном и генераторном режиме и противовключении, построить соответствующие механические характеристики [].

4.1. Краткие теоретические сведения

Общие понятия о характеристиках электрических машин, режимах работы и их расположении на координатной плоскости приведены в теоретических сведениях лабораторной работы №2. С энергетической точки зрения все режимы работы асинхронной машины соответствуют описанным выше режимам для машин постоянного тока и характеризуются теми же превращениями энергии из одного вида в другой. Различие состоит лишь в схемах включения и принципах работы.

Во всех режимах работы, рассматриваемых в данной лабораторной работе, обмотка статора АМ должна быть подключена к источнику переменного синусоидального напряжения, создающего симметричную систему токов в фазах обмотки и круговое магнитное поле вращающееся в воздушном зазоре с частотой n1. Эту частоту вращения также называют частотой вращения идеального холостого хода или синхронной частотой. Ротор АМ вращается с частотой n.

Соотношение скоростей магнитного поля и ротора в различных режимах работы АМ:

Добавить комментарий
Читайте также:

  1. Cистема качества,основанные на принципах ХАССП
  2. I Общеэкономические принципы.
  3. I. Психофизиологические принципы
  4. S: Перечислите принципы осуществления свободы совести.
  5. SCADA-система. ОРС. Организация взаимодействия с контроллерами.
  6. А. Файоль и принципы классического менеджмента.
  7. А.Смиттің салық салу принциптері
  8. Абсорбционный способ осушки газа. Достоинства и недостатки. Принципиальная схема.
  9. Автотрансформаторы, особенности конструкции, принцип действия, характеристики
  10. Аккультурация в межкультурных взаимодействиях