4.3. Универсальные коллекторные двигатели

Общие сведения. Универсальным двигателем называется однофазный коллекторный двигатель последовательного возбуждения, предназначенный для работы от сети переменного или постоянного тока. В режиме номинальной нагрузки двигатель имеет одинаковую скорость вращения при работе на переменном и постоянном токах. Машина постоянного тока с самовозбуждением принципиально может работать от сети переменного тока, так как при изменении направления тока якоря изменяется направление потока обмотки возбуждения, вследствие чего вращающий момент действует в ту же сторону. Однако такая машина имела бы большие магнитные потери и малый вращающий момент. Для получения меньшего сдвига по фазе между током якоря и потоком возбуждения универсальный коллекторный двигатель выполняется только с последовательным возбуждением.

Якорь универсального двигателя идентичен якорю машин постоянного тока. Для уменьшения магнитных потерь вся магнитная система универсального двигателя, включая полюса и ярмо, набирается из изолированных листов электротехнической стали. Обычно обмотка возбуждения ОВ имеет отпайку (рис. 4.21), позволяющую при работе от сети переменного тока уменьшать число витков. Двигатели не имеют дополнительных полюсов и компенсационной обмотки. Для подавления радиопомех предусматриваются фильтры, обычно в виде конденсаторов, включаемых между токопроводящими зажимами и корпусом машины. Универсальные двигатели дают возможность при питании от сети переменного тока получить весьма высокую скорость вращения и позволяют плавно ее регулировать. Двигатели выполняются на скорости вращения до 40000 об/мин. Вследствие быстроходности они имеют малые размеры и вес. Пусковой момент двигателей большой, так как их обмотка возбуждения является последовательной.

Векторная диаграмма при работе от сети переменного тока. Временная векторная диаграмма показывает значение и фазу синусоидально изменяющихся во времени величин, характеризующих установившийся рабочий процесс. Модуль вектора диаграммы численно равен амплитуде величины, которую он представляет. Принято считать, что все векторы диаграммы вращаются против часовой стрелки с угловой скоростью ω. Проекция вектора на вертикальную ось дает мгновенное значение синусоидальной величины, которую изображает вектор. В некоторых случаях удобно считать векторы неподвижными, а ось вращающейся.

4.4. Генераторы постоянного тока

4.4.1. Общие сведения о генераторах постоянного тока. Назначение. Микромашины постоянного тока используются в качестве генераторов в различных установках радио- и проводной связи, на самолетах, автомашинах и др. Большое распространение в измерительной технике получили тахогенераторы постоянного тока.

Современные электрические станции вырабатывают энергию в форме трехфазного переменного тока. Значительная ее часть используется без преобразования в другие виды энергии. Однако на транспорте, в металлургической промышленности, в телефонной связи, для сварки, в некоторых схемах автоматического регулирования и т. д. необходимо или предпочтительнее использование постоянного тока. В этих случаях для выработки энергии часто используют электромашинные генераторы постоянного тока. Кроме того, генераторы постоянного тока применяют как возбудители синхронных генераторов, для питания радиостанций, электролиза и зарядки аккумуляторных батарей.

Уравнения напряжений и моментов. В обмотке якоря индуктируется э. д. с. Если по обмотке проходит ток I_а, то имеет место падение напряжения в сопротивлении r_а цепи якоря, которое складывается из сопротивлений щеточного контакта и обмоток: якоря, дополнительных полюсов и компенсационной. В переходных режимах возникает также падение напряжения на индуктивности L_a якоря, согласно второму закону Кирхгофа:

. (4.4)

где u - напряжение на зажимах якоря.

Это выражение называют уравнением напряжения генератора. Оно показывает, что в любой момент времени э. д. с. генератора уравновешивается напряжением и падением напряжения в якоре.

При вращении якоря, даже в случае холостого хода, имеет место момент сопротивления М₀ вращению, который обуславливается потерями в машине на трение, на вихревые токи и гистерезис. Этот момент называют моментом холостого хода. При нагрузке в результате взаимодействия тока якоря с магнитным потоком генератора возникает тормозной электромагнитный момент М. При всяком нарушении постоянства скорости вращения возникает динамический момент.

, (4.5)

где J — момент инерции якоря; ω — угловая скорость вращения, рад /сек.

В генераторном режиме эти моменты уравновешиваются механическим моментом М_мех приводного двигателя:

М_мех = М₀ + М + М_J. (4.6)

Э то выражение называют уравнением моментов генератора. Уравнение показывает, что в любой момент времени в генераторном режиме механический момент приводного двигателя уравновешивается моментами холостого хода, электромагнитным и динамическим.

Классификация по способу возбуждения. На рис. 4.22 дана классификация электрических машин по способу возбуждения. При электромагнитном возбуждении поток полюсов создается обмотками возбуждения, питаемыми постоянным током. В машинах с независимым возбуждением обмотки возбуждения питаются от постороннего источника тока. В машинах с самовозбуждением обмотка возбуждения питается током от якоря этой же машины. Самовозбуждение может осуществляться при параллельном соединении с якорем обмотки возбуждения, при последовательном соединении и при смешанном, когда одна обмотка возбуждения соединена параллельно с якорем, а другая последовательно. Машины с таким соединением обмоток соответственно называются машинами параллельного, последовательного и компаундного (смешанного) возбуждения.