3.2 Принцип дії та основні рівняння дпс

Машини постійного струму мають властивість зворотності, тобто вони можуть працювати як у режимі генератора, так і в режимі двигуна. Тому якщо машину постійного струму підключити до джерела енергії постійного струму, то в обмотці збудження і в обмотці якоря машини з’являться струми. Взаємодія струму якоря з полем збудження створює на якорі електромагнітний момент , що називається обертовим.

Під дією електромагнітного моменту якоря машина почне обертатися, тобто машина буде працювати в режимі двигуна, споживаючи з мережі електричну енергію і перетворюючи її в механічну. У процесі роботи двигуна його якір обертається в магнітному полі. В обмотці якоря індукується ЕРС , напрямок якої можна визначити за правилом «правої руки». В режимі двигуна ж ЕРС спрямована проти струму , і тому її називають протиелектрорушійною силою якоря.

Для двигуна, що працює з постійною частотою обертання,

. (3.1)

З (3.1) видно, що підведена до двигуна напруга врівноважується проти-ЕРС обмотки якоря і падінням напруги в колі якоря. На підставі (3.1) струм якоря

. (3.2)

Помноживши обидві частини рівняння (3.1) на струм якоря , одержимо рівняння потужності для кола якоря

, (3.3)

де — потужність в колі обмотки якоря;

— потужність електричних втрат в колі якоря.

Електромагнітна потужність ДПС

, (3.4)

де — кутова частота обертання якоря;

— електромагнітна потужність двигуна.

Перетворивши вираження (3.3) з урахуванням (3.4), одержимо

.

Аналіз цього рівняння показує, що зі збільшенням навантаження на вал двигуна, тобто зі збільшенням електромагнітного моменту , зростає потужність у колі обмотки якоря , тобто потужність на вході двигуна. Але тому що напруга, що підводиться до двигуна, підтримується незмінною , то збільшення навантаження двигуна супроводжується зростанням струму в обмотці якоря .

3.3 Енергетична діаграма перетворення потужності в дпс

Е нергетична діаграма двигуна паралельного збудження представлена на рисунку 3.3. Первинна потужність Р₁ є електричною і споживається з мережі живлення. За рахунок цієї потужності покриваються втрати на збудження та електричні втрати у колі якоря, а решта частина складає електромагнітну потужність Р_ем, яка перетворюється у механічну потужність Р_мх. Втрати магнітні , додаткові та механічні покриваються за рахунок механічної потужності, а решта частина цієї потужності є корисна механічна потужність Р₂ на валу.

Магнітні втрати виникають тільки в осерді якоря, тому що тільки цей елемент магнітопроводу машини постійного струму піддається перемагнічуванню. Величина магнітних втрат, що складаються із втрат від гістерезису і втрат від вихрових струмів, залежить від частоти перемагнічування значень магнітної індукції в зубцях і спинці якоря, товщини листів електротехнічної сталі, її магнітних властивостей і якості ізоляції цих листів у пакеті якоря.

Електричні втрати в машині постійного струму обумовлені нагріванням обмоток і щіткового контакту.

Втрати в колі збудження визначаються втратами в обмотці збудження і у реостаті, включеному в коло збудження:

(3.6)

де – напруга на затискачах кола збудження.

Втрати в обмотках кола якоря

, (3.7)

де – опір обмоток у колі якоря, приведений до розрахункової робочої температури .

Електричні втрати також мають місце і у контакті щіток:

(3.8)

де – перехідне падіння напруги на щітках.

Електричні втрати в колі якоря і у щітковому контакті залежать від навантаження машини, тому ці втрати називають змінними.

У машині постійного струму механічні втрати складаються із втрат від тертя щіток об колектор

(3.9)

тертя в підшипниках і на вентиляцію

(3.10)

де – коефіцієнт тертя щіток об колектор

– поверхня зіткнення всіх щіток з колектором;

– питомий тиск щітки;

Окружна швидкість колектора діаметром

. (3.11)

Механічні магнітні втрати при стабільній частоті обертання можна вважати постійними.

Сума магнітних і механічних втрат становлять втрати х.х.

. (3.12)

Якщо машина працює як двигун паралельного збудження в режимі х.х., то вона споживає з мережі потужність

. (3.13)

Однак через невелике значення струму електричні втрати і досить малі і зазвичай не перевищують 3% втрат . Тому, не допускаючи помітної помилки, можна записати , звідки втрати х.х.

. (3.14)

Таким чином, втрати х.х. (магнітні і механічні) можуть бути визначені експериментально.

Потужність на вході ДПС (споживана):

. (3.15)

Потужність на виході ДПС(корисна потужність):

для двигуна (механічна потужність)

. (3.16)

де і – момент на валу електричної машини;

– частота обертання ДПС, об/хв.

Коефіцієнт корисної дії ДПС являє собою відношення потужностей - корисної до споживаної

. (3.17)

Визначивши сумарну потужність перерахованих вище втрат

, (3.18)

можна визначити ККД ДПС завиразом

. (3.19)

ККД ДПСпотужністю від 1 до 100 кВтструму становить 75-90%і 90-97% для ДПСпотужністю понад 100 кВт. Набагато менше ККД ДПС малої потужності. Наприклад, для машин потужністю від 5 до 50 Вт = 15-50%. Зазначені значення ККД відповідають номінальному навантаженню машини. Залежність ККД машини постійного струму від навантаження виражається графіком , вид якого наведено на рисунку 3.4.

Рисунок 3.4 - Залежність _.

Для визначення ККД ДПС малої потужності застосовується метод безпосереднього навантаження, для інших випадків застосовується непрямий метод, як більше точний і зручний. Установлено, що при > 80 % вимірювати ККД методом безпосереднього навантаження недоцільно, тому що він дає більшу помилку, ніж при застосуванні непрямого методу.