6. Магнитные цепи мпт

Характерной особенностью МПТ является (рис. 4.2):

- постоянство (в пространстве) магнитного потока возбуждения;

- наличие преобразователя переменного тока в постоянный, в коллекторных машинах – это механический преобразователь (коллектор).

Рис. 4.2. Электромагнитная схема машины постоянного тока (а) и схема ее

включения (б).(1- обмотка возбуждения; 2- главный полюс; 3- коллектор; 4-щетки; 5- обмотка якоря).

Следовательно, благодаря наличию коллектора при работе машины постоянного тока в двигательном режиме скорость вращения ротора не связана жестко с частотой сети, как в асинхронных и синхронных машинах, а может изменяться в широких пределах путем изменения напряжения U и магнитного потока Ф.

Ось симметрии, разделяющая полюса МПТ, называется ее геометрической нейтралью.

В результате действия потока Ф_aq симметричное распределение магнитного поля машины искажается, и результирующий поток Ф_рез оказывается сосредоточенным в основном у краев главных полюсов. При этом физическая нейтраль б-б (линия, соединяющая точки окружности якоря, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали а-а на некоторый угол β (рис.4.4). В генераторах физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря; в двигателях – против направления вращения.

Рис. 4.4. Магнитное поле машины постоянного тока: от обмотки возбуждения (а), от обмотки якоря (б) и результирующее (в).

Вследствие сосредоточенного характера обмотки возбуждения, кривая распределения создаваемой ею НС имеет форму прямоугольника, а кривая индукции – форму криволинейной трапеции (рис.4.5).

Рис.4.5. Распределение индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока: от обмотки возбуждения (а), от обмотки якоря (б) и результирующее (в).

Следовательно, НС якоря F_aq изменяется линейно вдоль его окружности; под серединой главного полюса она равна нулю, а в точках, где установлены щетки, имеет максимальное значение.

В генераторе со смешанным возбуждением на главных полюсах помещаются две обмотки: одна из них соединяется параллельно, другая — последовательно с якорем (рис. 5-41,г).

Рис. 5-41. Генераторы постоянного тока.

 По параллельной обмотке возбуждения проходит небольшой ток, составляющий 1—5% номинального тока якоря. Она выполняется обычно с большим числом витков из проводника относительно небольшого сечения.

По последовательной обмотке возбуждения проходит полный ток якоря, поэтому она выполняется с небольшим числом витков из проводника относительного большого сечения.

Основными характеристиками генератора являются характеристики: холостого хода, внешняя, регулировочная и нагрузочная.

а) б)

Рис. 4.8. Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением (а) и его характеристика холостого хода (б).

Характеристика холостого хода U₀=f(I_в) при I_н=0 и n=const (рис. 4.8б). Расхождение входящей и нисходящей ветвей характеристики объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе машины. E_ост составляет 2…4 % от U_ном.

а) б)

Рис. 4.9. Внешняя (а) и регулировочная (б) характеристики генератора с независимым возбуждением.

Внешней характеристикой называется зависимость U=f(I_н) при n=const и I_н=const (рис. 4.9а).

в машине используется принцип самовозбуждения, при котором обмотка возбуждения получает питание непосредственно от самого генератора.

а)

б)

Рис. 4.10. Принципиальная схема генератора с параллельным возбуждением (а); характер изменения ЭДС и тока возбуждения генератора в процессе возбуждения (б).

Самовозбуждение генератора возможно только при наличии гистерезиса в магнитной цепи.

Внешняя характеристика генератора с самовозбуждением располагается ниже внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (рис. 4.11). Объясняется это тем, что в рассматриваемом генераторе напряжение уменьшается не только с ростом нагрузки и размагничивающего действия реакции якоря, но и вследствие уменьшения тока возбуждения , который зависит от напряжения U, т. е. от тока I_н.

Рис. 4.11. Внешние характеристики генераторов с независимым (верхняя кривая) и параллельным (нижняя кривая) возбуждением.

Ток короткого замыкания создается только ЭДС от остаточного магнетизма и составляет (0,4…0,8) I_ном.

Работа на участке ab внешней характеристики неустойчива.

Регулировочная характеристика генератора с параллельным возбуждением имеет такой же вид, как и для генератора с независимым возбуждением.

В генераторе с последовательным возбуждением (рис. 4.12а) ток возбуждения I_в=I_а=I_н.

а) б)

Рис. 4.12. Схема генератора с последовательным возбуждением (а) и его внешняя характеристика (б).

Внешняя характеристика (кривая 1) и характеристика холостого хода (кривая 2) изображены на рис. 4.12б. Ввиду того, что в генераторе с последовательным возбуждением напряжение сильно изменяется при изменении нагрузки, такие генераторы практически не применяются. Их используют лишь при электрическом торможении двигателей с последовательным возбуждением

Схема генератора со смешанным возбуждением приведена на рис. 5-54. Можно ее изменить, соединив конец параллельной обмотки возбуждения a с точкой b. Полученная в этом случае схема принципиально не будет отличаться от приведенной на рис. 5-54.

Рис. 5-54. Генератор со смешанным возбуждением.

 Мы видели, что у генератора с параллельным возбуждением напряжение при увеличении нагрузки падает и что для поддержания его постоянным нужно увеличивать ток возбуждения.

В генераторе со смешанным возбуждением последовательная обмотка при увеличении нагрузки автоматически увеличивает магнитный поток соответственно току, проходящему по ней.

Таким образом, создается возможность иметь почти постоянное напряжение при любых нагрузках. Внешняя характеристика генератора имеет вид, представленный на рис. 5-55 (кривая а). Для получения этой характеристики последовательную обмотку нужно присоединить таким образом, чтобы поток, создаваемый ею, складывался с потоком, создаваемым параллельной обмоткой. Такое соединение последовательной обмотки называется согласным. Оно наиболее часто применяется на практике. При встречном (дифференциальном) включении обеих обмоток — последовательной и параллельной — напряжение при увеличении нагрузки будет резко падать (кривая с на рис. 5-55).

Рис. 5-55. Внешние характеристики генераторов со смешанным возбуждением.

 В некоторых случаях применяются генераторы, которые автоматически поддерживают приблизительно постоянное напряжение в конце линии на зажимах приемников. Их внешняя характеристика представлена на рис. 5-55 (кривая b).

В двигателе с параллельным возбуждением (рис. 4.13а) обмотка возбуждения подключена параллельно с обмоткой якоря к сети.

а) б)

Рис. 4.13. Схема двигателя с параллельным возбуждением (а) и его механические характеристики (б).

Если пренебречь размагничивающим действием реакции якоря, то можно считать, что магнитный поток двигателя не зависит от тока нагрузки. В этом случае механическая характеристика двигателя ω=f(M) будет линейной.

Здесь ДПТ — двигатель переменного тока (обычно асинхронный); Г — генератор постоянного тока независимого возбуждения, получающий ток возбуждения от небольшого генератора с параллельным возбуждением В; Д — регулируемый двигатель и РМ — рабочий механизм (например, рулевая машина). Регулирование скорости вращения двигателя получается достаточно экономичным, так как здесь изменение напряжения U на зажимах двигателя достигается путем изменения относительно небольшого тока в обмотке возбуждения генератора. В схеме не требуется также пусковой реостат, так как пуск производится при пониженном напряжении, которое в дальнейшем постепенно повышается.

Здесь же легко осуществляется реверсирование двигателя (изменение направления вращения), если это требуется. В этом случае изменяют направление тока в обмотке возбуждения генератора при помощи переключателя (не показанного на рис. 5-61).

Рис. 5-61. Система генератор-двигатель.

В двигателе с последовательным возбуждением (рис. 4.14а) ток возбуждения равен току якоря: I_в=I_а , поэтому магнитный поток Ф является функцией тока нагрузки I_а. Характер этой функции изменяется в зависимости от величины нагрузки. При I_a<(0,8…0,9) I_ном, когда магнитная система ненасыщенна, Ф=к_фI_а , причем коэффициент пропорциональности К_ф в значительном диапазоне нагрузок остается практически постоянным. При дальнейшем возрастании нагрузки поток Ф растет медленнее, чем I_a , и при больших нагрузках (I_a>I_ном) можно считать, что Ф=const. В соответствии с этим изменяются и зависимости n=f(I_a), M=f(I_a) (рис. 4.14б).

а) б)

Рис.4.14. Схема двигателя с последовательным возбуждением (а) и зависимости его момента и скорости вращения от тока якоря (б).

Кроме естественных характеристик 1, можно путем включения добавочных сопротивлений r_n в цепь якоря получить семейство реостатных характеристик 2, 3, и 4. Чем больше величина r_n, тем ниже располагается характеристика.

Достоинством двигателя со смешанным возбуждением является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой, может работать при холостом ходе, так как его скорость холостого хода n₀ имеет конечное значение.

Рис.4.15. Механические характеристики двигателя со смешанным возбуждением.

Схема двигателя со смешанным возбуждением представлена на рис. 5-66. Обычно последовательная обмотка включается согласно с параллельной таким образом, чтобы ее н.с. складывалась с н.с. параллельной обмотки. В этом случае скорость вращения двигателя при увеличении нагрузки будет более резко падать, чем у двигателя с параллельным возбуждением и менее резко, чем у двигателя с последовательным возбуждением.

Рис. 5-66. Двигатель со смешанным возбуждением.

 Двигатели с параллельным возбуждением, имеющие возрастающую скоростную характеристику (пунктирная кривая на рис. 5-58), не могут работать устойчиво, поэтому они снабжаются последовательной обмоткой с небольшим числом витков, действующей согласно с параллельной обмоткой.

Число ее витков рассчитывается таким образом, чтобы получилась падающая скоростная характеристика, при которой работа двигателя становится устойчивой. Такая последовательная обмотка называется стабилизирующей.

На рис. 5-67 представлена соответствующая схема. Пусть генератор Г₁ приключен к общим шинам и несет некоторую нагрузку; требуется включить на параллельную работу с ним второй генератор Г₂. Для этого нужно установить напряжение на его зажимах равным напряжению на общих шинах, что достигается регулированием тока возбуждения (в редких случаях регулированием скорости вращения). Перед тем как включить однополюсный рубильник Р, необходимо проверить соответствие полярностей шин и зажимов приключаемого генератора, что делается при помощи вольтметра V₁. Только в том случае, когда вольтметр V₁ покажет ноль, можно включить однополюсный рубильник Р. После этого генератор Г₂ будет включен на параллельную работу с генератором Г₁. Однако он не отдает и не потребляет тока, так как его э.д.с. E и напряжение на шинах взаимно уравновешены.

Рис. 5-67. Параллельная работа генераторов с параллельным возбуждением.

 Для того чтобы перевести часть нагрузки с генератора Г₁ на генератор Г₂, сохраняя при этом напряжение U на шинах постоянным, нужно изменить токи возбуждения обоих генераторов: у генератора Г₁ ток возбуждения нужно уменьшить, а у генератора Г₂ — увеличить. При этом изменятся токи и мощности, отдаваемые генераторами в сеть.

При параллельной работе генераторов со смешанным возбуждением, имеющих согласное включение обмоток возбуждения, схема должна быть выполнена, как показано на рис. 5-68. Здесь необходим уравнительный провод a—b, так как при его отсутствии работа будет неустойчивой: будет наблюдаться случайное перераспределение нагрузки между генераторами. Действительно, начальная часть внешней характеристики а на рис. 5-55 показывает, что случайное увеличение э.д.с. одного из генераторов (например, вследствие возрастания скорости вращения) и, следовательно, увеличение его тока приводят к еще большему увеличению э.д.с. и тока до тех пор, пока скорость вращения первичного двигателя из-за перегрузки, а поэтому и э.д.с. генератора не снизятся настолько, что процесс нарастания тока прекратится. Ток другого генератора будет уменьшаться, и машина может даже перейти на работу двигателем.

Рис. 5-68. Параллельная работа генераторов со смешанным возбуждением.