3.3 Общие сведения к задаче №2

Электрические машины

Электрические машины постоянного тока применяют в качестве двигателей и генераторов, несмотря на преимущественное распространение электроэнергии переменного тока. Двигатели постоянного тока позволяют плавно регулировать скорость вращения в широких пределах и создают большой момент при пуске. Они применяются для привода различных механизмов (прокатные станы, транспортеры), в качестве тяговых на транспорте (электровозы, электропоезда, электромобили), в грузоподъемных устройствах (краны, экскаваторы), на морских и речных судах и др. Двигатели небольшой мощности применяют в системах автоматики.

Генераторы постоянного тока ранее широко использовались для питания двигателей постоянного тока, для электроснабжения различных потребителей на автомобилях, самолетах, пассажирских вагонах, электровозах и др.

Недостаток машин постоянного тока - наличие щеточно-коллекторного узла, который требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надежность работы машины. Поэтому генераторы постоянного тока в стационарных установках вытесняются полупроводниковыми преобразователями, а на транспорте - синхронными генераторами, работающими совместно с выпрямителями.

Режимы работы машины постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока может работать в режиме генератора, двигателя и электромагнитного тормоза.

Если к зажимам обмотки вращающегося якоря присоединить нагрузку, то под действием ЭДС якоря в цепи возникает ток. Машина будет работать в режиме генератора. Напряжение на его зажимах меньше ЭДС якоря на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении якоря

U = Е_а – R_а·I_а.

В результате взаимодействия тока якоря и поля возбуждения в машине создается электромагнитный момент. Этот момент будет тормозным по отношению к моменту первичного двигателя, вращающего якорь (ротор).

Если подать напряжение (от какого-нибудь источника) на зажимы обмотки неподвижного якоря, то в цепи якоря начнет протекать ток. Взаимодействие этого тока с полем возбуждения приведет к появлению вращающего момента. Если этот момент больше тормозного момента на валу (вызванного трением в подшипниках, вентиляцией, нагрузкой), то ротор начнет раскручиваться и достигнет установившейся скорости. Машина будет работать в двигательном режиме. Приложенное к якорю напряжение будет больше ЭДС, индуцированной в обмотке якоря, на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении

U = Е_а + R_а·I_а.

Итак, одна и та же машина постоянного тока может работать как генератором, так и двигателем. Это есть подтверждение свойства обратимости электрических машин.

Если момент нагрузки (например, при подъеме груза) станет больше вращающего момента двигателя, то он сначала остановится, а затем начнет вращаться в обратном направлении. При этом ЭДС якоря изменит направление. Двигатель окажется в режиме электромагнитного тормоза. Теперь ток в цепи создается суммой прикладываемого напряжения и ЭДС якоря и может существенно возрасти.

U + Е_а = R_а·I_а.

Для перевода двигателя в режим электромагнитного тормоза нужно поменять полярность обмотки якоря. Изменяется направление момента, развиваемого машиной, и двигатель быстро затормаживается.

Преобразование энергии в генераторном и двигательном режимах

Работа машины постоянного тока сопровождается различного рода потерями энергии, вызывающими нагрев ее частей. Прежде всего в машине имеют место электрические потери во внутренних сопротивлениях якоря p_ЭЛ (включая сопротивление щетка - коллектор), которые составляют около 50% всех потерь в машине при номинальном режиме. Эти потери пропорциональны квадрату тока якоря.

Далее имеют место потери магнитные в сердечнике якоря p_МГ (составляют 1…3% от Р_Н), механические потери от трения и вентиляции р_МЕХ (составляют менее 1…2% от Р_Н), электрические потери в цепи возбуждения р_ЭЛ.В (составляют 0,5…7% от Р_Н). Все перечисленные потери (кроме потерь в обмотке якоря) практически не зависят от нагрузки.

Энергетические диаграммы для генератора и двигателя приведены на рис. 4.1.

КПД машин постоянного тока зависит от мощности и изменяется в пределах (70…96)%.

Рис. 4.1 - Энергетические диаграммы генератора (а), двигателя (б)

ЭДС якоря, момент и способы возбуждения машин постоянного тока

ЭДС якоря машины постоянного тока пропорциональна частоте вращения якоря и магнитному потоку полюса

где   - постоянная машины по ЭДС; p - число пар полюсов; N - число проводников обмотки якоря; а - число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

Это выражение справедливо как для генератора, так и для двигателя.

Электромагнитный момент машины пропорционален току якоря и результирующему магнитному потоку полюса

где   постоянная машины по моменту.

Цепь возбуждения и цепь якоря по отношению к сети могут быть включены независимо одна от другой, параллельно и последовательно. В соответствии с этим различают генераторы и двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

В машинах независимого возбуждения цепь возбуждения включают на напряжение постороннего источника (выпрямитель, аккумулятор и т. д.), рис. 4.2, а. В машинах малой мощности (до 500 Вт) поток возбуждения может создаваться постоянными магнитами.

В машинах параллельного возбуждения обмотку возбуждения включают параллельно цепи обмотки якоря, рис. 4.2, б. В этом случае обмотка возбуждения выполняется из большого числа витков тонкого провода. Ток возбуждения составляет (1…5)% от номинального тока якоря.

Рис. 4.2 - Способы возбуждения машин постоянного тока: а – независимое, б – параллельное, в – последовательное, г - смешанное

В машинах последовательного возбуждения обмотка возбуждения соединена с якорем последовательно, рис. 4.2, в, поэтому она рассчитана на полный ток якоря. Число витков катушек возбуждения невелико, их выполняют из провода большого сечения.

В машинах смешанного возбуждения на основных полюсах имеется по две катушки: одна принадлежит параллельной обмотке возбуждения, другая - последовательной.

Схема возбуждения магнитного поля машины определяет особенности ее работы.

Общие вопросы двигателей постоянного тока

Для работы электродвигателя необходимо создать в нем магнитные потоки полюсов и пропускать ток через обмотку якоря. Это достигается подключением двигателя по соответствующей схеме к источнику питания и пуском его в ход.

При пуске двигатель разгоняется до определенной рабочей скорости вращения. Длительность пуска изменяется от долей до нескольких секунд. В момент пуска в цепи якоря двигателя может возникнуть большой пусковой ток. Различают несколько способов пуска: прямой, реостатный и при пониженном напряжении.

Прямым способом (обмотка якоря включается на полное напряжение источника) пускают в ход только двигатели малой мощности (до 1 кВт). При этом пусковой ток не должен превышать I_П = (4…6) I_аН.

При реостатном способе пуска в цепь якоря для ограничения пускового тока вводят добавочное сопротивление (вручную или автоматически). Величину его подбирают такой, чтобы пусковой ток не превышал (2...2,5) I_аН. По мере разгона ротора двигателя добавочное сопротивление выводят. Такой пуск является самым распространённым.

Ограничение пускового тока также достигается при пуске от пониженного напряжения, подводимого к обмотке якоря от источника с регулируемым напряжением (управляемый выпрямитель, отдельный генератор постоянного тока).

Кривые изменения тока якоря, частоты вращения и ЭДС якоря во времени показаны на рис. 4.3.

Рис. 4.3 - Пусковые характеристики двигателя

Зависимость скорости вращения от момента двигателя при постоянном напряжении и сопротивлении цепи якоря - называется механической характеристикой, Ω = f(М) или n = f(М). Уравнение механической характеристики имеет вид

где

где R_ДОБ – сопротивление вводимого реостата.

Для построения зависимости n = f(М) пользуются выражением

Механические характеристики двигателей существенно зависят от способа возбуждения. В двигателях параллельного и независимого возбуждения поток практически постоянный (от нагрузки не зависит), в двигателях последовательного и смешанного возбуждения он зависит от нагрузки на валу. Поэтому в первом случае механическая характеристика представляется уравнением прямой, а во втором - кривой гиперболического вида, рис. 4.4.

Рис. 4.4 - Механические характеристики двигателей: 1 - параллельное возбуждение; 2 - смешанное возбуждение; 3 - последовательное возбуждение

Из уравнения механической характеристики видны основные способы регулирования скорости вращения: изменением потока возбуждения, введением сопротивления в цепь якоря, изменением питающего напряжения.

Пример

Двигатель параллельного возбуждения питается от сети постоянного тока с напряжением U_H = 220 В. Данные двигателя: номинальная мощность P_H = 75 кВт; частота вращения при номинальной нагрузке n_H = 1000 об/мин; коэффициент полезного действия η_Н = 0,90; число полюсов 2p = 4. Ток возбуждения принять равным I_B = 5% от тока двигателя при номинальной нагрузке. Потери в обмотке якоря принять равными 50% от всех потерь двигателя.

Содержание работы

1. Начертить принципиальную электрическую схему включения двигателя с параллельным возбуждением.

2. Рассчитать механическую характеристику двигателя.

3. Определить пусковые значения тока и момента. Вычислить сопротивление одноступенчатого пускового реостата.

4. Построить механические характеристики п = f(М) при отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря (естественная характеристика) и при введении сопротивления пускового реостата (искусственная характеристика). Графические зависимости построить в одних осях координат.

Методические рекомендации для решения задачи

Рис. 4.5

1. Схема включения двигателя показана на рис. 4.5.

2. Расчет механической характеристики двигателя.

Известно, что такая характеристика двигателя параллельного возбуждения линейна. Следовательно, её можно построить по двум точкам. Удобно взять точку идеального холостого хода, когда n = n₀ и М = 0, и точку при номинальной нагрузке, когда n = n_H и М = М_Н. Неизвестными являются частота вращения при холостом ходе и номинальный момент.

Частоту вращения определяем из выражения

где R_a – активное сопротивление цепи якоря; I_aH – ток в якоре при номинальной нагрузке.

Величину сопротивления R_a определяют косвенным путём, считая, что 50% всех потерь в двигателе составляют потери электрические в обмотке якоря. Тогда

где Р_1Н – мощность, потребляемая двигателем из сети, 

Номинальный ток двигателя (полный ток, потребляемый из сети)

.

Подставляем числовые значения

По условию I_В = 0,05·I_Н = 18,9 А, тогда

Сопротивление якорной цепи

Частота вращения при холостом ходе

Координаты первой точки характеристики n₀ = 1055 об/мин; М = 0. Для определения координат второй точки (n = n_H и М = М_Н) находим момент при номинальной нагрузке

Координаты второй точки n_H = 1000 об/мин; М = 716,25 Н·м.

1. Определение сопротивления пускового реостата

Сопротивление R_П выбирают с таким расчётом, чтобы пусковой ток I_П и пусковой момент М_П находились в пределах

I_П = (1,5…2,5)·I_аН,

М_П = (1,5…2,5)·М_Н.

Большие значения тока относятся к двигателям малой мощности.

Сопротивление пускового реостата выбирают по формуле

Принимаем М_П = 2·М_Н = 2·716,25 = 1432 Н·м.

Пусковой ток в якоре

Кратность пускового тока

Координаты точек механической характеристики при пуске

n₀ = 1055 об/мин; М = 0; n = 0 об/мин; М_П = 1432 Н·м.

2. Построение механических характеристик

Рис. 4.6 - Механические характеристики двигателя: 1 – естественная, 2 – искусственная

Данный пример приведен как руководство для решения контрольной задачи.