6.1.4. Способы возбуждения машин постоянного тока

Важным классификационным признаком машин постоянного тока является способ возбуждения главного магнитного поля, от которого зависят все основные характеристики как двигателей, так и генераторов. Существуют четыре способа возбуждения машин постоянного тока: независимое, параллельное, последовательное и смешанное возбуждение. На рис. 6.1.12 показаны схемы включения обмотки якоря и обмотки возбуждения при разных способах возбуждения. Указанные на схемах направления токов соответствуют работе машины в режиме генератора.

При независимом возбуждении (рис. 6.1.12а) обмотка возбуждения питается от независимого источника с напряжением U_в. Ток приемника электроэнергии, подключенного к генератору, равен току якоря I_Я. В генераторе с параллельным возбуждением (рис. 6.1.12б) обмотка возбуждения подключена к зажимам якоря. Ток возбуждения определяется напряжением на зажимах генератора и равен

, (6.1.1)

где R_в – сопротивление обмотки возбуждения;

U – напряжение на зажимах генератора.

Рис. 6.1.12. Способы возбуждения машин постоянного тока

При этом соотношение между токами возбуждения, якоря и приемника определяется первым законом Кирхгофа:

. (6.1.2)

Обмотка возбуждения в такой МПТ выполняется из тонкого провода с большим числом витков и обладает большим электрическим сопротивлением.

В генераторе с последовательным возбуждением (рис. 6.1.12 в) обмотка возбуждения включается последовательно с обмоткой якоря. При этом токи якоря, возбуждения и приемника равны между собой:

. (6.1.3)

Последовательная обмотка возбуждения выполняется из провода большого сечения с малым числом витков и обладает небольшим электрическим сопротивлением. Малое сопротивление последовательной обмотки возбуждения незначительно сказывается на соотношении тока и напряжения в цепи якоря.

Генератор со смешанным возбуждением (рис. 6.1.12 г) имеет две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную.

Генераторы с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением получили название генераторов с самовозбуждением, поскольку их обмотки возбуждения питаются от зажимов собственного якоря.

6.1.5. Схема замещения и уравнения электрического состояния машин постоянного тока

Для расчета и анализа электромагнитных процессов и характеристик машин постоянного тока необходимо моделирование машины с помощью электрической схемы замещения и соответствующих уравнений электрического состояния.

При составлении схемы замещения необходимо отразить основные процессы, происходящие в якоре МПТ. В частности, обмотка якоря выполненная из провода конечных размеров (диаметр и длина) обладает определенным активным сопротивлением R_Я. Это обусловливает падение напряжения в обмотке якоря и безвозвратную потерю энергии в виде тепла как в генераторе, так и в двигателе. Сопротивление обмотки якоря учитывается в схеме замещения идеальным резистором с сопротивлением R_Я.

Двигатель постоянного тока

В двигателе постоянного тока при вращении якоря в его обмотке индуцируется ЭДС, направленная навстречу току и частично уравновешивающая приложенное напряжение. Это учитывается введением в схему замещения идеального источника ЭДС величиной E_Я. Таким образом, напряжение источника, приложенное к обмотке якоря двигателя, уравновешивается падением напряжения на сопротивлении R_Я и величиной противоэдс E_Я:

. (6.1.4)

Уравнение (6.1.4) называют уравнением электрического состояния цепи якоря двигателя постоянного тока.

Соответствующая такому уравнению электрического состояния схема замещения показана на рис. 6.1.13.

Рис. 6.1.13. Схема замещения двигателя постоянного тока

Умножив обе части уравнения (6.1.4) на ток I_Я, получим уравнение мощностей ДПТ:

, (6.1.5)

или , (6.1.6)

где - электрическая мощность, потребляемая якорем двигателя от источника электроэнергии;

- электрические потери мощности в обмотке якоря;

- электромагнитная мощность двигателя, преобразуемая в механическую.

Генератор постоянного тока

При работе МПТ в режиме генератора ток в приемнике и в обмотке якоря обеспечивается за счет ЭДС якоря, наводимой магнитным полем возбуждения. Эта ЭДС создает напряжение на зажимах генератора и компенсирует падение напряжения в обмотке якоря. Уравнение электрического состояния ГПТ имеет вид:

, (6.1.7)

а соответствующая схема замещения показана на рис. 6.1.14.

Рис. 6.1.14. Схема замещения генератора постоянного тока

Уравнение мощностей ГПТ получается в виде:

, (6.1.8)

или , (6.1.9)

где - электромагнитная мощность, получаемая в результате преобразования механической энергии в электрическую;

- электрические потери мощности в обмотке якоря;

- электрическая мощность, отдаваемая приемнику во внешнюю электрическую цепь.