1.4.5. Потери и кпд коллекторных машин постоянного тока

В машинах постоянного тока имеют место электрические, механические и магнитные потери (основная группа потерь), а также добавочные потери:

1). Электрические потери Рэ обусловлены электрическим сопротивлением обмоток машины и щёточного контакта:

Рэ = Рэя+Рэв+Рэк+Рэд+Рэщ,

где Рэя – потери в обмотке якоря, Рэв – потери в ОВ, Рэк потери в компенсационной обмотке, Рэд потери в обмотках добавочных полюсов, Рэщ – потери в щёточном контакте.

2). Механические потери Рмех возникают в результате трения щёток по коллектору Рк, в подшипниках Рп, деталей машины о воздух Рв и в процессе вентиляции Рвент:

Рмех = Рк+Рп+Рв+Рвент.

3). Магнитные потери Рм возникают в результате перемагничивания стали и образования вихревых токов в сердечниках машин. Они зависят от частоты перемагничивания, магнитной индукции в якоре, толщины листов стали и качества изоляции этих листов в пакете якоря.

4). Добавочные потери Рд складываются из потерь от вихревых токов в меди обмоток, от неравномерного распределения индукции при нагрузке, от вихревых токов в крепёжных деталях и т. д. Они трудно учитываются и обычно составляют в машинах без компенсационной обмоткой 1% полезной мощности для генераторов или 1% подводимой мощности для двигателей, а в машинах с компенсационной обмоткой – 0,5%.

Следовательно, суммарные потери в машине постоянного тока:

= Рэ+Рмех+Рм+Рд.

КПД электрической машины представляет собой отношение отдаваемой (полезной) мощности Р2 к подводимой (потребляемой) мощности Р1:

Ƞ = Р2/Р1.

Определив суммарную мощность потерь , КПД машины определяют по следующим формулам:

для генератора

Ƞг = Р2/Р1 =[U·I]/[U·I+ ;

для двигателя

Ƞд = Р2/Р1 = [U·I /[U·I].

1.4.6. Машины постоянного тока специального назначения

К машинам постоянного тока специального назначения относят электромашинные усилители (ЭМУ), тахогенераторы, бесконтактные двигатели постоянного тока и исполнительные двигатели постоянного тока (рис. 17.).

1). ЭМУ – это машины, работающие в генераторном режиме и усиливающие электрические сигналы. Простейшие ЭМУ – это генераторы постоянного тока независимого возбуждения, но они не нашли широкого распространения из за небольшого коэффициента усиления (не более 100). Наибольшее распространение получили ЭМУ поперечного поля, у которых основным магнитным потоком является поток, создаваемый током обмотки якоря. На его коллекторе установлено два комплекта щёток: один g1 и g2 – на поперечной оси главных полюсов (на геометрической нейтрали), а другой d1 и d2 – по продольной оси главных полюсов. Щётки g1 и g2 замкнуты накоротко, а к щёткам d1 и d2 подключена нагрузка. Помимо обмотки якоря ЭМУ имеет одну или несколько обмоток управления (y1; y2), компенсационную обмотку (ОК), поперечную подмагничивающую обмотку (ОП) и обмотку добавочных полюсов (ОД). Якорь ЭМУ вращается электродвигателем. Коэффициент усиления может достигать 2000-20 000.

2). Тахогенераторы постоянного тока служат для измерения частоты вращения по значению выходного напряжения, Они представляют собой генераторы малой мощности с возбуждением от постоянного магнита или с электромагнитным независимым возбуждением. На выходе включен электроизмерительный прибор магнитоэлектрической системы, шкала которого проградуирована в единицах измерения частоты вращения.

3). Бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ) отличаются от коллекторных двигателей традиционной конструкции тем, что в них щёточно-коллекторный узел заменён полупроводниковым коммутатором (инвертором), управляемым сигналами, поступающими с бесконтактного датчика положения ротора (ДПР). ДПР расположен на валу двигателя. Рабочая обмотка двигателя – обмотка якоря – расположена на сердечнике статора, а постоянный магнит на роторе. В качестве чувствительного элемента ДПР чаще всего применяют датчики ЭДС Холла. Назначение ДПР – выдавать в блок коммутатора управляющий сигнал в соответствии с положением полюсов постоянного магнита относительно секций якоря, Блок коммутатора меняет соответственно направление магнитного потока в обмотках, что приводит к вращению двигателя. КПД БДПТ по сравнению с коллекторными выше, они более надёжны и долговечны, но имеют повышенную стоимость за счёт полупроводникового коммутатора, датчиков Холла и постоянного магнита. Мощность БДПТ обычно до 120 Вт.

4). Исполнительные двигатели постоянного тока применяют в системах автоматики для преобразования электрического сигнала в механическое перемещение. В качестве исполнительных двигателей в настоящее время применяют чаще всего двигатели с независимым возбуждением, реже – с возбуждением от постоянных магнитов.

Рис. 17. Машины постоянного тока специального назначения:

а) – электромашинный усилитель (ЭМУ) поперечного поля; б) – тахогенератор; в) – бесконтактный двигатель постоянного тока (БДПТ), где VT1–VT4 – коммутатор, ДХ1-ДХ2 – датчики Холла, w1-w4 – обмотки двигателя.