3. Машины постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока состоит из следующих основных частей: неподвижного статора с расположенным на нем индуктором, подвижного якоря с размещенной на нем обмоткой и коллекторно-щеточного механизма (КЩМ).

Индуктор предназначен для создания магнитного поля и выполнен в виде стальных полюсных наконечников, на которых размещена обмотка возбуждения. Полюсные наконечники могут быть выполнены также из постоянных магнитов. Якорь с обмоткой закреплен на валу, который установлен в корпусе на подшипниках с возможностью вращения. КЩМ состоит из расположенных по окружности пластин, к которым подключены выводы соединенных последовательно секций якорной обмотки. К пластинам прижимаются щетки. Присоединенные к щеткам проводники являются выводами якорной обмотки. За счет скользящего контакта между пластинами и щетками обеспечивается гальваническая связь обмотки якоря с внешней электрической цепью.

При вращении якоря в магнитном поле в его обмотке наводится э.д.с.

, (3.1)

где - электрическая постоянная машины, зависящая от ее конструктивных параметров; - частота вращения якоря; - магнитный поток.

При работе машины в генераторном режиме под действием э.д.с. якоря во внешней цепи протекает ток (его направление совпадает с э.д.с.). Благодаря действию КЩМ, направление э.д.с. на зажимах якорной обмотки остается постоянным.

Магнитный поток создается обмоткой возбуждения и, следовательно, пропорционален току в этой обмотке . Его величина зависит как от сопротивления обмотки , так и от схемы ее подключения.

В зависимости от способа подключения обмотки возбуждения по отношению к якорной обмотке различают машины с параллельным, последовательным, смешанным и независимым возбуждением. У машин с независимым возбуждением обмотка возбуждения получает питание от независимого источника постоянного тока.

Схема подключения обмоток генератора постоянного тока с параллельным возбуждением показана на рис. 3.1. Для регулирования тока возбуждения, а следовательно, и магнитного потока машины, в цепь обмотки возбуждения ОВШ включен регулировочный реостат сопротивлением . Ток якоря в генераторе параллельного возбуждения (рис. 3.1) делится на две составляющие: ток нагрузки и ток возбуждения . В соответствии с первым законом Кирхгофа:

(3.2)

При запуске генератора в первый момент ток возбуждения равен нулю и в якорной обмотке наводится э.д.с. , обусловленная остаточным магнитным потоком . Под действием этой э.д.с. в обмотке возбуждения появляется ток, что приводит к дальнейшему росту магнитного потока и э.д.с. Таким образом в процессе запуска устанавливаются номинальные значения тока возбуждения, магнитного потока и э.д.с. якоря. Нормальный запуск генератора возможен только при таком подключении обмотки возбуждения, когда создаваемый ею поток совпадает по направлению с остаточным потоком .

Уравнение, описывающее внешнюю характеристику генератора постоянного тока с параллельным возбуждением (зависимость напряжения на его зажимах от тока нагрузки при постоянном сопротивлении цепи возбуждения и номинальной скорости вращения якоря) в соответствии со вторым законом Кирхгофа

(3.3)

Уменьшение напряжения на зажимах генератора с параллельным возбуждением с увеличением тока нагрузки обусловлено возрастанием падения напряжения на обмотке якоря. При этом вследствие реакции якоря происходит уменьшение результирующего магнитного потока, а следовательно, и э.д.с. якоря. В свою очередь это приводит к некоторому уменьшению тока возбуждения, магнитного потока, э.д.с. якоря и дальнейшему уменьшению напряжения на зажимах генератора.

У машин постоянного тока с независимым возбуждением обмотка возбуждения ОВ, питается от отдельного источника GB (рис.3.2). Это может быть другой генератор постоянного тока, аккумуляторная батарея и т.д. Для данной схемы ток якоря равен току нагрузки , а ток возбуждения определяется только сопротивлением регулировочного реостата и напряжением источника GB. У машин с независимым и параллельным возбуждением сопротивление обмотки возбуждения относительно велико, поэтому ток возбуждения мал (обычно 1-3% от номинального значения тока якоря). Внешняя характеристика генератора с независимым возбуждением аналогична характеристике генератора с параллельным возбуждением, т.к. описывается уравнением (3.3). Но в данном случае ток нагрузки не оказывает влияния на , поэтому характеристика имеет меньший наклон.

У генераторов с последовательным возбуждением обмотка возбуждения ОВС включается последовательно с обмоткой якоря (рис.3.3), поэтому ток возбуждения равен току в цепи якоря, а следовательно и в цепи нагрузки, т. е. (3.4)

Для того, чтобы обмотка возбуждения не ограничивала ток в цепи якоря и падение напряжения на ней было невелико, сопротивление обмотки должно быть относительно малым (обмотку выполняют с небольшим числом витков проводом большого сечения).

Уравнение внешней характеристики этого генератора имеет вид:

(3.5)

Однако в соответствии с (3.1) зависит от , а следовательно – от тока нагрузки. Поэтому по мере роста тока нагрузки выходное напряжение также возрастает. Когда наступает насыщение магнитопровода, рост и прекращается, а выходное напряжение начинает снижаться за счет падения напряжения на сопротивлении . Таким образом внешняя характеристика является возрастающей на начальном участке, а на последующем участке – падающей.

Поскольку в генераторе с последовательным возбуждением выходное напряжение сильно зависит от нагрузки, а при холостом ходе близко к нулю, то такие генераторы непригодны для питания большинства электрических потребителей и практически не применяются.

Г енераторы постоянного тока со смешанным возбуждением (рис. 3.4) имеют две обмотки возбуждения – основную (ОВШ), включаемую параллельно обмотке якоря и вспомогательную (ОВС), включаемую в цепь якоря и нагрузки. При этом магнитный поток генератора

,

где - поток, создаваемый параллельной обмоткой возбуждения; - поток, создаваемый последовательной обмоткой. Основной вклад в общий поток вносит обмотка ОВШ, т.е. составляющая , поэтому внешняя характеристика генератора со смешанным возбуждением близка к характеристике генератора с параллельным возбуждением. С помощью обмотки ОВС (за счет составляющей потока ) можно корректировать желаемым образом наклон характеристики.

Согласное включение этих обмоток при соответствующем подборе позволяет получать на выходе генератора практически постоянное напряжение независимо от нагрузки.

Если обмотки включить встречно, то наклон внешней характеристики генератора наоборот возрастет. Такое включение обмоток применяют в сварочных генераторах и других специальных машинах, где требуется ограничить ток короткого замыкания.

Двигатели постоянного тока (ДПТ) в конструктивном отношении не отличаются от генераторов, так как электрические машины постоянного тока обратимы (могут работать как в генераторном, так и в двигательном режимах). Соответственно, для двигателей применяют аналогичные схемы подключения: с параллельным, независимым, последовательным и смешанным возбуждением. Характеристики двигателей зависят от схемы подключения.

При работе в двигательном режиме ток по обмотке якоря протекает под действием приложенного напряжения от внешнего источника (э.д.с. направлена противоположно току). Ее значение определяется согласно (3.1). В результате взаимодействия тока якоря с магнитным полем индуктора на якорь действует электромагнитный момент

, (3.6)

где - постоянная, зависящая от конструктивных параметров машины.

При этом якорь вращается в направлении действия электромагнитного момента.

При пуске электродвигателей постоянного тока путем прямого включения в сеть пусковой ток многократно превышает номинальный, что может привести к выходу якорной обмотки из строя вследствие нарушения ее изоляции. Поэтому пуск двигателей постоянного тока производится с помощью пусковых реостатов, ограничивающих пусковой ток. По мере разгона двигателя пусковой реостат выводится из действия.

Д ля якорной цепи электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением (рис.3.5 а) уравнение электрического равновесия при в соответствии со вторым законом Кирхгофа

(3.7)

Подставив (3.1) в (3.7), получим уравнение электромеханической (скоростной) характеристики электродвигателя

(3.8)

При отсутствии нагрузки ( ) из (3.6) получаем и в соответствии с (3.8) частота вращения идеального холостого хода электродвигателя .

П ри параллельном возбуждении двигатель обычно включают на номинальное напряжение (напряжение на обеих обмотках постоянно и равно номинальному). В этом случае ток возбуждения не зависит от тока якоря и имеет постоянное значение. Поэтому, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно считать, что магнитный поток двигателя не зависит от нагрузки ( ) и в соответствии с (3.6), (3.8) моментная и скоростная характеристики двигателя линейны (рис.3.5 б).

В двигателе независимого возбуждения (рис.3.6) обмотка якоря и обмотка возбуждения подключены к различным источникам, что позволяет изменять напряжение на обмотках независимо. Такие двигатели применяют в регулируемых приводах, где питание обмоток осуществляется от генераторов или полупроводниковых преобразователей. При номинальных напряжениях на обмотках характеристики двигателя такие же, как при параллельном возбуждении (см. рис.3.5 б).

Изменение напряжения на обмотках позволяет регулировать частоту вращения двигателя. При уменьшении напряжения на обмотке якоря частота вращения снижается, а при уменьшении напряжения на обмотке возбуждения – увеличивается относительно номинального значения.

Для электродвигателя с последовательным возбуждением (рис.3.7 а)

(3.9)

При этом уравнение (3.8) приводится к виду (3.10)

При последовательном возбуждении ток возбуждения равен току якоря ( ) и магнитный поток является функцией тока якоря, поэтому в соответствии с (3.6), (3.10) моментная и скоростная характеристики двигателя нелинейны (рис.3.7 б).

При снижении нагрузки частота вращения неограниченно возрастает, поэтому эксплуатировать двигатель в режиме холостого хода и близком к нему нельзя. Данный двигатель в основном используется для привода различных транспортных устройств.

Электродвигатель постоянного тока со смешанным возбуждением (рис.3.8) имеет параллельную и последовательную обмотки возбуждения. При этом магнитный поток параллельной обмотки при неизменном значении напряжения , а магнитный поток последовательной обмотки зависит от тока якоря, т.е. от нагрузки.

П оскольку поток машины , то моментная и скоростная характеристики занимают среднее положение между характеристиками двигателей с параллельным и последовательным возбуждением (рис. 3.5 б, 3.7 б). При этом скоростная характеристика более “мягкая” (имеет больший наклон) чем у двигателя с параллельным возбуждением, а частота вращения холостого хода имеет конечное значение.

Подставляя из (3.6) в уравнения скоростных характеристик (3.8), (3.10), получим уравнения механических характеристик ДПТ. Для двигателей с параллельным и независимым возбуждением

(3.11)

Для двигателей с последовательным и смешанным возбуждением

(3.12)

Пренебрегая влиянием реакции якоря в процессе изменения нагрузки на валу, электромагнитный момент можно считать пропорциональным току якоря. Поэтому механические характеристики ДПТ имеют такой же вид, как и соответствующие скоростные характеристики: для двигателей с параллельным и независимым возбуждением при они линейны и имеют небольшой наклон, для двигателя с последовательным возбуждением они близки к гиперболическим.

Рабочие характеристики электродвигателей постоянного тока представляют собой зависимости частоты вращения , момента , тока якоря и к.п.д. от полезной мощности на валу , т.е. при неизменном значении подводимого напряжения питания.

Мощность на валу двигателя (в кВт)

(3.13)

У двигателей с параллельным и независимым возбуждением с ростом момента на валу частота вращения снижается незначительно, поэтому зависимости имеют такой же вид, как и зависимости . Для двигателя с последовательным возбуждением зависимость близка к параболической.

Соответственно, моментные характеристики строятся по уравнению

. (3.14)

Они имеют возрастающий характер и для двигателей с параллельным и независимым возбуждением близки к линейным.

К.п.д. электродвигателя определяется отношением полезной мощности на валу к мощности , потребляемой из сети

(3.16)

где - электрические потери мощности в цепи якоря; - электрические потери мощности в цепи возбуждения; - механические потери; - добавочные потери; - потери мощности на гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе.

К.п.д. электродвигателей с увеличением мощности на валу возрастает и достигает своего максимального значения, когда переменные потери мощности в двигателе оказываются равными постоянным потерям, т.е. . Параметры двигателя рассчитывают так, чтобы максимальный к.п.д. имел место при нагрузке близкой к номинальной.

Рабочие характеристики ДПТ со смешанным возбуждением занимают среднее положение между рабочими характеристиками двигателей с параллельным и последовательным возбуждением.

Частоту вращения ДПТ можно регулировать следующими способами: включением добавочного сопротивления в цепь якоря, изменением напряжения на обмотках якоря и возбуждения. При увеличении сопротивления цепи якоря наклон механической характеристики возрастает, что обеспечивает уменьшение частоты вращения при неизменном моменте. Изменение напряжения на обмотке якоря позволяет регулировать частоту вращения от нуля до номинального значения, а изменение напряжения на обмотке возбуждения – вверх от номинального значения.

Краткие теоретические сведения, приведенные выше, позволяют решать практические задачи по расчету ДПТ. Некоторые примеры решения приведены ниже.

Пример 2.1.

Задания на расчет:

Для ДПТ с параллельным возбуждением по заданным значениям некоторых паспортных данных требуется:

1. составить и начертить принципиальную электрическую схему включения, предусмотрев в ней возможности ограничения пускового тока (пусковой реостат) и регулирования скорости вращения (регулировочный реостат);

2. по заданным значениям параметров двигателя определить его недостающие паспортные данные;

3. рассчитать и построить естественную (при номинальных напряжениях на обмотках и ) механическую характеристику двигателя;

4. определить сопротивление пускового реостата для ограничения пускового тока значением и пусковой момент , а также построить искусственную механическую характеристику двигателя с пусковым реостатом;

5. рассчитать и построить график зависимости к.п.д. двигателя от коэффициента нагрузки .

Исходные данные:

Номинальное напряжение сети - .

Номинальный ток двигателя - .

Номинальный ток возбуждения - .

Номинальная частота вращения - .

Примечание. Принять, что номинальные потери мощности в цепи возбуждения составляют 20%, номинальные потери мощности в цепи якоря 50% от суммарных номинальных потерь мощности в двигателе.

Решение.

1 . Строим схему подключенияДПТ с параллельным возбуждением (рис. 3.9)

2. По заданным значениям параметров двигателя, определяем:

• Номинальный ток в цепи якоря, в соответствии с первым законом Кирхгофа

• Номинальную мощность, потребляемую ДПТ из сети

• Номинальное сопротивление цепи возбуждения согласно закону Ома

.

• Номинальные потери мощности в цепи возбуждения

• Суммарные потери мощности двигателя в режиме номинальной нагрузки

Исходя из условия , находим:

• Номинальную мощность, развиваемую двигателем на валу

• К.п.д. двигателя в номинальном режиме работы

,

или .

• Номинальный момент на валу ДПТ

• Номинальные потери в цепи якоря:

Согласно условию - .

Тогда сопротивление якоря в соответствии с будет

• Номинальную ЭДС якоря:

• Номинальную мощность, потребляемую ДПТ из сети:

3. Рассчитываем и строим естественную механическую характеристику двигателя.

Поскольку при параллельном возбуждении зависимость n(M) - прямая линия, её можно построить по двум точкам: точке, соответствующей идеальному холостому ходу, с координатами n_x; M_х=0 и точке номинального режима с координатами n_н ,M_н. Определяем частоту вращения холостого хода

По данным точкам строим характеристику n(M ) двигателя (см. рис. 3.10,а).

4. Строим искусственную механическую характеристику двигателя с пусковым реостатом.

Эта характеристика, как и естественная, является линейной, а следовательно строится по двум точкам: точке идеального холостого хода с координатами (n_х; М=0) и точке, соответствующей режиму пуска с координатами (n_п=0; М_п)

Пусковой вращающий момент . Поскольку , то

Полученная характеристика приведена на рис.3.10 б.

Определяем сопротивление пускового реостата R_п .

В момент пуска n=0, следовательно E_я=0, а

Тогда

Рис.3.10.

5. Рассчитываем и строим график (β). При параллельном возбуждении можно считать n – const при изменении момента в допустимых пределах, а момент линейно зависящим от мощности на валу. Поскольку ток якоря пропорционален моменту, а потери в цепи якоря пропорциональны квадрату тока, то . Тогда согласно (3.16)

Результаты расчетов сводим в таблицу 3.1 и строим график (β) (см. рис 3.11).

Таблица 3.1.

	0.2	0.4	0.6	0.8	1	1.2	1.4	1.6	1.8	2
	0.69	0.8	0.83	0.847	0.85	0.848	0.843	0.836	0.828	0.82

Рис.3.11.