Машины постоянного тока

 

4.1. Устройство, принцип действия и электромагнитный

момент машины постоянного тока

 

Устройство машины постоянного тока подобно обращенной синхронной машине, у которой обмотка якоря расположена на роторе, а обмотка возбуждения – на статоре. Основное отличие заключается в том, что коллекторная машина постоянного тока имеет механический преобразователь частоты – коллектор, а при мощности более 1…1,5 кВт так же и дополнительные полюса (ДП).

На статоре расположены главные полюса (ГП) с катушками обмотки возбуждения (ОВ) и дополнительные полюса. Обмотка якоря состоит из отдельных якорных катушек, включающих в себя несколько секций, концы которых присоединяются к соответствующим коллекторным пластинам. Возможны два основных способа соединения отдельных секций в обмотку: петлевой (рис. 4.1а) и волновой (рис. 4.1б):

а) б)

 

Рис. 4.1. Простая петлевая (а) и волновая (б) обмотки машины постоянного тока.

 

Чтобы присоединить следующую секцию обмотки, можно вернуться под исходный полюс; таким путем при поступательном движении вдоль окружности якоря выполняются соединения петлевой обмотки, называемой так же параллельной обмоткой.

Щетки делят петлевую обмотку на столько пар параллельных ветвей (а), сколько машина имеет пар полюсов (p), т.е. при петлевой обмотке .

При втором способе образования обмотки – соединяются между собой секции, лежащие под следующими по окружности якоря полюсами, выполняемого при поступательном движении вдоль окружности якоря. Таким образом, выполняется волновая обмотка, называемая так же последовательной обмоткой. Число параллельных ветвей при волновой обмотке равно 2 (2а=2), независимо от числа полюсов машины. Чтобы замкнуть волновую обмотку, т.е. чтобы включить в нее все секции обмотки, нужно несколько раз обойти окружность якоря. Петлевая обмотка замыкается после одного обхода якоря.

Простая волновая обмотка применяется для машин малой и средней мощности (до 500 кВт) при напряжении 110 В и выше.

Простая петлевая обмотка применяется для двухполюсных машин малой мощности (до 1 кВт) и машин свыше 500 кВт.

Характерной особенностью машины постоянного тока 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).

 

При вращении обмотки якоря в неподвижном магнитном поле, в ней индуктируется переменная ЭДС, изменяющаяся с частотой:

, (4.1)

где

n – скорость вращения якоря.

При вращении якоря между любыми двумя точками обмотки якоря действует переменная ЭДС. Однако между неподвижными контактными щетками действует постоянная по величине и направлению ЭДС E, равная сумме мгновенных значений ЭДС e₁ , e₂ , e₃ и т.д. (рис.4.3), индуктированных во всех последовательно соединенных витках якоря, расположенных между этими щетками.

 

 

Е

Рис.4.3. Векторная диаграмма, индуктируемых в якорной обмотке ЭДС.

 

 

Зависимость ЭДС Е от магнитного потока машины и скорости вращения якоря имеет вид:

; (4.2)

. (4.3)

При подключении обмотки якоря к сети с напряжением U, ЭДС Е будет приблизительно равна напряжению U, и скорость вращения ротора:

. (4.4)

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 машины постоянного тока, называется ее геометрической нейтралью.

При разомкнутой внешней цепи ток в обмотке якоря не будет протекать, т. к. ЭДС, индуктированные в двух частях обмотки якоря, расположенных по обе стороны геометрической нейтрали, направлены встречно и взаимно компенсируются. Для того чтобы подать от обмотки якоря во внешнюю цепь максимальное напряжение, эту цепь нужно присоединить к двум точкам обмотки якоря, между которыми действует наибольшая разность потенциалов. Такими точками являются а и б, расположенные на геометрической нейтрали, где и следует устанавливать щетки А и В (рис.4.3). При вращении якоря точки а и б смещаются с геометрической нейтрали, но к щеткам будут подходить все новые и новые точки обмотки, между которыми действует ЭДС Е, поэтому ЭДС во внешней цепи будет неизменна по величине и направлению. Для уменьшения пульсаций ЭДС при переходе щеток с одной коллекторной пластины на другую в каждую параллельную ветвь обмотки якоря обычно включается не менее 16 активных проводников.

На якорь, по обмотке которого протекает ток I, действует электромагнитный момент:

. (4.5)

При работе машины в двигательном режиме электромагнитный момент является вращающим, а в генераторном режиме – тормозным.

 

 

Реакция якоря машины постоянного тока

При холостом ходе магнитный поток в машине создается только НС обмотки возбуждения. В этом случае магнитный поток при неизменном воздушном зазоре между якорем и сердечником главного полюса (что характерно для многих машин постоянного тока) распределяется симметрично относительно продольной оси машин.

При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит ток, и НС якоря создает свое магнитное поле. Воздействие поля якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Магнитный поток Ф_aq , созданный НС якоря F_aq в двухполюсной машине при установке щеток на нейтрали направлен по поперечной оси машины, поэтому магнитное поле якоря называют поперечным. 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).

 

На основании закона полного тока НС якоря, действующая в воздушном зазоре на расстоянии x от оси главных полюсов определится выражением:

. (4.6)

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. Магнитная индукция в воздушном зазоре при ненасыщенной магнитной системе:

, (4.7)

где

– величина воздушного зазора в точке x.

Из последнего выражения следует, что под полюсом при = const индукция B_aq изменяется линейно вдоль окружности якоря. В межполюсном пространстве резко возрастает длина магнитной силовой линии, т.е. величина и индукция B_aq резко уменьшается. В результате кривая распределения приобретает седлообразную форму. Кривая результирующей индукции получается алгебраическим сложением ординат кривых и (рис. 4.5в).

Реакция якоря оказывает неблагоприятное влияние на работу машины постоянного тока:

а)- физическая нейтраль смещается относительно геометрической нейтрали на некоторый угол, что ухудшает коммутацию коллекторной машины;

б)- результирующий магнитный поток машины при насыщенной магнитной цепи уменьшается, а значит, уменьшается ЭДС Е, индуктированная в обмотке якоря при нагрузке, по сравнению с ЭДС Е₀ при холостом ходе;

в)- в кривой распределения индукции в воздушном зазоре под краями главных полюсов возникают пики, способствующие образованию в машине кругового огня.

 

4.3. Коммутация в коллекторных машинах постоянного тока

Необходимым условием долговечности коллекторной машины постоянного тока является отсутствие искрения под щетками, так как искры быстро разрушают пластины коллектора и щетки.

Причины искрения могут быть механическими и электрическими. Основная механическая причина искрения – это ухудшение контакта между коллектором и щетками.

Электрической причиной является неудовлетворительная коммутация. Коммутацией в электрических машинах называется совокупность явлений происходящих при изменении направления тока в секциях обмотки якоря во время замыкания щетками этой секции накоротко.

Время, в течение которого секция обмотки вращающегося якоря замкнута щеткой накоротко, называется периодом коммутации:

, (4.8)

где

в_щ – ширина щетки;

V_k – окружная скорость коллектора.

Если бы в коммутируемой секции не индуктировалось ЭДС, то ход процесса коммутации тока в секции определялся бы только соотношением сопротивлений контактов щетки с двумя пластинами коллектора (рис.4.6).

 

 

Рис. 4.6. К расчету коммутационного процесса в коммутируемой секции якоря.

 

Будем считать, что ширина щетки не больше ширины одной коллекторной пластины и пренебрегать относительно небольшими сопротивлениями проводников, соединяющих обмотку якоря с коллектором, и самой секции, по сравнению с переходным сопротивлением r_щ контакта щетки и коллектора.

Переходное сопротивление r₁ контакта с пластиной, уходящей из-под щетки, должно возрастать во время коммутации, достигая бесконечности в конце периода коммутации:

r₁=r_щ,

где

T- период коммутации;

t – время, прошедшее с момента начала коммутации.

В то же время переходное сопротивление контакта со второй пластиной уменьшается:

. (4.10)

Ток I, поступающий в щетку из обмотки якоря, должен распределиться между двумя пластинами коллектора обратно пропорционально их переходным сопротивлениям:

, (4.11)

С другой стороны, согласно первому закону Кирхгофа:

(4.12)

Решив эту систему уравнений, найдем ток в коммутируемой секции:

. (4.13)

В начальный момент времени при t=0 этот ток, а в конце коммутации при t=T он будет.

Ток I является током лишь одной параллельной ветви обмотки якоря; в общем случае при 2а параллельных ветвей, ток якоря .

Следовательно, в общем случае

. (4.14)

Такая коммутация называется прямолинейной или равномерной (рис. 4.7а). В этом идеальном случае плотность тока под всей щеткой неизменна во все время коммутации, благодаря чему отсутствуют коммутационные причины искрения.

 

 

Рис. 4.7. Законы изменения тока коммутируемой секции якоря при линейной (а) и нелинейной (б) коммутации.

 

Мы рассмотрели идеальный случай. В реальных условиях неизбежно возникают ЭДС самоиндукции в коммутирующей секции l_L и ЭДС взаимоиндукции , индуктируемая изменениями тока в соседних секциях, коммутируемых одновременно. Обе эти ЭДС согласно принципу Ленца противодействуют изменению тока в секции, задерживают это изменение. Результирующая ЭДС:

. (4.15)

Её можно выразить следующим образом:

. (4.16)

Реактивная ЭДС задерживает изменение тока (рис. 4.7б) и делает коммутацию замедленной в течение большей части периода, но к концу периода, когда уходящая пластина выйдет из-под щетки, ток в секции принудительно примет значение . Следовательно, в конце периода неизбежно ускоренное изменение величины тока в секции, что вызывает увеличение реактивной ЭДС. Одновременно плотность тока под щеткой становится неравномерной. Она сильно возрастает у края пластины, которая выходит из-под краев щетки, а это может вызвать сильное нагревание щетки и пластины коллектора. Обе эти причины могут обусловить искрение – возникновение электрических дуг под щеткой со стороны уходящей пластины коллектора.

Для того, чтобы скомпенсировать действие реактивной ЭДС, необходимо противопоставить ей вторую ЭДС, называемую коммутирующей ЭДС . Таким образом, условие идеальной коммутации:

(4.17)

Коммутирующая ЭДС создается посредством движения витков коммутируемой секции во внешнем магнитном поле. В большинстве случаев e_k индуктируется магнитным полем дополнительных полюсов машины Ф_д.п. . Следовательно,

. (4.18)

При изменениях нагрузки изменяется реактивная ЭДС, пропорциональная току якоря, но одновременно в такой же мере меняется и коммутирующая ЭДС, т. к. обмотка дополнительных полюсов соединена последовательно с якорем.

Усилив поле дополнительных полюсов путем увеличения числа витков их обмотки, можно сделать , что обусловит ускоренную коммутацию. Она осуществляется в машинах, предназначенных для особо тяжелых условий работы, например, частого реверсирования.

В машинах малой мощности для создания коммутирующего магнитного поля вместо дополнительных полюсов применяется сдвиг щеток с геометрической нейтрали. При таком сдвиге в коммутируемой секции ЭДС индуктируется главным магнитным полем, причем в генераторе щетки должны быть сдвинуты по направлению вращения якоря, а в двигателе – против направления вращения.

Особо опасный случай неблагоприятной коммутации представляет собой круговой огонь по коллектору. Это – мощная электрическая дуга, замыкающаяся непосредственно по коллектору или даже перекидывающаяся на станину машины, при этом повреждение машины может быть весьма значительным. Круговой огонь возникает при резком броске тока якоря, что вызывает увеличение реактивной ЭДС, а она создает мощную дугу между щеткой и краем уходящей пластины. Эта дуга удерживается и растягивается вследствие вращения коллектора; в результате возникает короткое замыкание непосредственно на коллекторе машины, разрушающее коллектор и щетки.

 

 

4.4. Генераторы постоянного тока

В зависимости от способа питания обмотки возбуждения различают генераторы:

- с независимым возбуждением;

- с параллельным возбуждением;

- с последовательным возбуждением (сериесный);

- со смешанным возбуждением (компаундный); он имеет две обмотки возбуждения; одна включена параллельно обмотке якоря, а другая - последовательно с нею и нагрузкой.

Генераторы малой мощности иногда выполняются с постоянными магнитами. Свойства таких генераторов близки к свойствам генераторов с независимым возбуждением.

В генераторе с независимым возбуждением (рис. 4.8а) ток возбуждения не зависит от тока якоря I_а, который равен току нагрузки I_н. Обычно ток возбуждения невелик и составляет 1…3 % от номинального тока якоря.

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). Под нагрузкой напряжение генератора

, (4.19)

где

∑r – сумма сопротивлений всех обмоток, включенных последовательно в цепь якоря (якоря, дополнительных полюсов и компенсационной обмотки).

С увеличением нагрузки напряжение U уменьшается по двум причинам:

- из-за падения напряжения во внутреннем сопротивлении ∑r машины;

- из-за уменьшения ЭДС E в результате размагничивающего действия реакции якоря.

Величина составляет 3…8 %.

 

В генераторе с параллельным возбуждением (рис. 4.10а) обмотка возбуждения присоединена через регулировочный реостат параллельно обмотке якоря. Для нормальной работы приемников электроэнергии необходимо поддерживать постоянство напряжения на их зажимах, несмотря на изменение общей нагрузки генератора. Это осуществляется посредством регулирования тока возбуждения.

Регулировочной характеристикой генератора (рис. 4.9б) называется зависимость тока возбуждения I_в от тока якоря I_а при постоянном напряжении U и скорости n. Такая характеристика показывает, как надо изменять ток возбуждения для того, чтобы при изменениях нагрузки поддерживать постоянство напряжения на зажимах генератора. Эта кривая сначала почти прямолинейна, но затем загибается вверх от оси абсцисс, вследствие влияния насыщения магнитопровода машины. Следовательно, 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.

При вращении якоря в его обмотке потоком остаточного магнетизма индуктируется ЭДС Е_ост­ , и по обмотке возбуждения начинает протекать ток. Если обмотка возбуждения включена так, что ее НС F_в направлена согласно с НС остаточного магнетизма, то магнитный поток возрастает, увеличивая ЭДС Е, поток Ф и ток возбуждения I_в. Машина самовозбуждается и начинает устойчиво работать с I_в=const, E=const, зависящими от величины сопротивления R_в цепи возбуждения.

Для режима холостого хода генератора:

, (4.20)

где

L – суммарная индуктивность обмоток возбуждения и якоря.

Зависимость e=f(i_в) представляет собой характеристику холостого хода генератора ОА, а прямая ОВ – ВАХ сопротивления R_в (tgγ= R_в) (рис. 4.10б).

Пока имеется положительная разность (e-i_вR_в), член >0, т.е. происходит нарастание тока i_в. Установившийся режим будет иметь место при =0, т.е. в точке С. При изменении величины сопротивления R_в прямая ОВ изменяет свой угол γ, что приводит к изменению установившегося тока возбуждения I_в0, и соответствующего ему напряжения U₀=E₀. Параметры цепи подбираются так, чтобы в точке С обеспечивалась устойчивость режима самовозбуждения. При случайном изменении i_в возникает соответствующая положительная или отрицательная разность (e-i_вR_в), стремящаяся изменить ток i_в так, чтобы он стал снова равен I_в0.

Степень устойчивости рассматриваемого режима будет определяться производной:

, (4.21)

где

β – угол пересечения характеристики ОА с прямой ОВ.

При увеличении R_в до критического значения R_в.кр., соответствующего γ_кр , угол β≈0 и режим самовозбуждения становится неустойчивым, при этом ЭДС генератора уменьшается до Е_ост. Таким образом, для нормальной работы генератора с параллельным возбуждением необходимо, чтобы R_в<R_в.кр.

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, которые при этом переводятся в генераторный режим.

В генераторе со смешанным возбуждением имеются две обмотки возбуждения: основная (параллельная) и вспомогательная (последовательная). Наличие двух обмоток при их согласном включении позволяет получать приблизительно постоянное напряжение генератора при изменении нагрузки. Подбирая число витков последовательной обмотки так, чтобы при номинальной нагрузке создаваемое ею напряжение ΔU_посл компенсировало суммарное падение напряжения ΔU при работе машины с одной только параллельной обмоткой, можно добиться, чтобы напряжение U при изменении тока нагрузки от нуля до I_ном оставалось практически неизменным.

Генераторы постоянного тока имеют большей частью параллельное возбуждение. Обычно для улучшения внешней характеристики они снабжаются небольшой последовательной обмоткой (1-3 витка на полюс). При необходимости такие генераторы могут включаться и по схеме с независимым возбуждением.

Генераторы с независимым возбуждением используются только при большой мощности и низком напряжении. В этих машинах независимо от величины напряжения на якоре обмотка возбуждения рассчитывается на стандартное напряжение постоянного тока 110 или 220 В с целью упрощения регулирующей аппаратуры.

 

4.5. Двигатели постоянного тока

Так же как и генераторы, двигатели классифицируются по типу возбуждения: с параллельным (шунтовые), последовательным (сериесные) и смешанным (компаундные) возбуждением.

При работе машины постоянного тока в двигательном режиме U>E, поэтому

(4.22)

. (4.23)

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.

(4.24)

где

- скорость вращения при холостом ходе;

- уменьшение скорости, обусловленное суммарным падением напряжения во всех сопротивлениях, включенных в цепь якоря двигателя.

Сумма сопротивлений () определяет наклон скоростной ω=f(I_a) и механической ω=f(M) характеристик к оси абсцисс. При отсутствии в цепи якоря добавочного сопротивления r_n указанные характеристики будут максимально жесткими. В этом случае они называются естественными характеристиками. При включении добавочного сопротивления r_n угол наклона этих характеристик возрастает, вследствие чего можно получить семейство реостатных характеристик 2,3,4, соответствующих различным значениям r_n (рис. 4.13б). Чем больше r_n , тем больший угол наклона имеет реостатная характеристика, т. е. тем она мягче. Современные двигатели с параллельным возбуждением снабжаются небольшой последовательной обмоткой возбуждения, которая передает механической характеристике необходимый угол наклона. НС этой обмотки при токе I_ном составляет до 10 % от НС параллельной обмотки.

Регулировочный реостат r_р.в позволяет изменять ток возбуждения двигателя I_в и тем самым его магнитный поток. Согласно выражению ω=f(Ф) при этом будет изменяться и скорость вращения двигателя. В цепь обмотки возбуждения никаких выключателей и предохранителей не устанавливают, т.к. при разрыве этой цепи и небольшой нагрузке на валу скорость двигателя резко возрастает (он идет в «разнос»). При этом сильно увеличивается ток якоря и возникает круговой огонь на коллекторе машины.

 

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).

 

; (4.25)

. (4.26)

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.

При малых нагрузках скорость n резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет в «разнос»). Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода и при небольшой нагрузке. Обычно минимально допустимая нагрузка составляет (0,2…0,25) I_ном; только двигатели малой мощности (десятки ватт) используют для работы при холостом ходе. Применение ременной передачи или фрикционной муфты для включения недопустимо.

Двигатели с последовательным возбуждением применяют в тех случаях, когда имеет место изменение нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия труда.

При жесткой характеристике скорость вращения n почти не зависит от момента М, поэтому мощность:

, (4.27)

где С₄ – постоянная.

При мягкой характеристике двигателя n обратно пропорционально , вследствие чего:

, (4.28)

где - постоянная.

Поэтому при изменении нагрузочного момента в широких пределах мощность Р₂ , а, следовательно, мощность Р₁ и ток I_a изменяются у двигателей с последовательным возбуждением в меньших пределах, чем у двигателя с параллельным возбуждением, кроме того, они лучше переносят перегрузки.

 

В двигателе со смешанным возбуждением магнитный поток Ф создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения - параллельной и последовательной. Поэтому его механическая характеристика располагается между характеристиками двигателей с параллельным и последовательным возбуждением (рис. 4.15).

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.

 

5. Информационные машины

 

К числу информационных машин относятся: поворотные трансформаторы, сельсины, магнесины и асинхронные тахогенераторы.

 

5.1. Поворотный трансформатор

 

Поворотными трансформаторами называют электрические машины переменного тока, преобразующие угол поворота α в напряжение, пропорциональное некоторым функциям этого угла или самому углу. В зависимости от закона изменения выходного напряжения они подразделяются на следующие типы:

а) синусно – косинусный трансформатор, позволяющий получить на выходе два напряжения, одно из которых пропорционально sinα, а второе cosα;

б) линейный поворотный трансформатор, выходное напряжение которого пропорционально углу α;

в) трансформатор – графопостроитель, выходное напряжение которого связано с подаваемыми первичными напряжениями зависимостью:

, (5.1.1)

где

С – постоянная.

Для получения поворотных трансформаторов различных типов может быть использована одна и та же машина с двумя обмотками на статоре и двумя на роторе при различных способах включения обмоток.

Поворотные трансформаторы широко используются в автоматических и вычислительных устройствах для решения геометрических и тригонометрических задач. В системах автоматического регулирования они используются в качестве измерителей рассогласования.

Конструктивно поворотный трансформатор выполняется так же, как асинхронный двигатель с фазным ротором. На статоре и роторе расположены по две одинаковые однофазные распределенные обмотки, сдвинутые между собой в пространстве на 90 градусов. Магнитопровод – шихтованный.

Поворотный трансформатор может работать в режиме поворота ротора или в режиме вращения. В первом случае положение ротора относительно статора задается поворотным механизмом (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Принципиальная схема четырехобмоточного поворотного трансформатора.

 

В этом режиме одна из статорных обмоток – обмотка возбуждения В – присоединяется к сети переменного тока, а другая – компенсационная или квадратурная обмотка К – подключается к некоторому сопротивлению или замыкается накоротко. В некоторых случаях обе статорные обмотки получают питание от независимых источников переменного напряжения. Обмотка ротора S (синусная) и С (косинусная) присоединяются к контактным кольцам. Для уменьшения числа колец концы двух обмоток объединяются. Применяется так же токосъем с помощью спиральных пружин; в этом случае угол поворота ротора ограничен 1,8…2 оборотами.

При работе в режиме вращения обмотки возбуждения и компенсации с целью уменьшения числа контактных колец размещают на роторе, а синусную и косинусную – на статоре. При этом компенсационная обмотка замыкается накоротко, а выводы обмотки возбуждения подключаются к двум контактным кольцам.

 

Принцип действия. При подключении обмотки возбуждения В к сети переменного тока в машине возникает продольный магнитный поток Ф_d, пульсирующий во времени с частотой сети. При холостом ходе в обмотках ротора S и С этот поток будет наводить ЭДС Е_s0 и E_c0, частота которых равна частоте сети f₁, а действующее значение будет зависеть от положения ротора относительно статора (рис. 5.2а).

 

а) б)

 

Рис. 5.2. Схематический разрез поворотного трансформатора (а) и график распределения индукции вдоль окружности его статора и ротора (б).

 

Предположим, что магнитный поток Ф_d распределен в воздушном зазоре синусоидально; в этом случае индукция в воздушном зазоре изменяется вдоль окружности статора и ротора по закону (рис. 5.2б):

, (5.1.2)

где

В_ср – индукция в воздушном зазоре по оси обмотки В.

В обмотке статора В поток Ф_d индуктирует ЭДС:

, (5.1.3)

где

Ф_dm – максимальное значение потока:

(5.1.4)

Здесь

l₁ – продольная длина статора (ротора);

– число витков обмотки статора.

Предположим, что ось фазы С обмотки ротора сдвинута относительно фазы В обмотки статора на некоторый угол . В этом случае максимальное значение потока, сцепленного с обмоткой С:

, (5.1.5)

а ЭДС, индуцированная в этой обмотке

, (5.1.6)

где

– число витков обмотки ротора.

Из соотношения

,

выходное напряжение косинусной обмотки при холостом ходе

. (5.1.7)

Обмотка ротора S сдвинута относительно обмотки С на угол π/2 , следовательно, выходное напряжение в этой обмотке

. (5.1.8)

Обмотка К с потоком Ф_d не связана и он не индуктирует в ней ЭДС. Она используется для компенсации поперечных потоков, создаваемых обмотками ротора при нагрузке поворотного трансформатора. Если вместо обмотки В присоединить к сети переменного тока обмотку К, то она создаст поперченный поток, по отношению к которому обмотка S будет косинусной, а обмотка С – синусной. Таким образом, в обмотках ротора при холостом ходе индуктируются ЭДС, пропорциональные синусу и косинусу угла поворота ротора относительно соответствующего потока. Применяя различные схемы включения обмоток статора и ротора, можно получить и другие функциональные зависимости, а так же уменьшить погрешности, вызываемые током нагрузки.

 

 

5.1.1. Синусно – косинусный поворотный трансформатор.

 

При подключении к синусной обмотке S нагрузки , по ней будет проходить ток:

, (5.1.9)

где

– сопротивление обмотки S, которое будем считать постоянным.

Ток I_HS создает НС ротора, максимальное значение которой

(5.1.10)

 

 

 

 

Рис. 5.3. Векторная диаграмма НС при подключении нагрузки к синусной обмотке.

 

Как видно из рис. 5.3 ось этой НС совпадает с осью фазы S, поэтому ее можно представить в виде векторной суммы двух составляющих: продольной F_sd=F_ssinα и поперечной F_sq=F_scosα. Продольная составляющая F_sd создает в обмотке возбуждения В компенсирующий ток, НС которого F_B , так же, как и в обычном трансформаторе, компенсирует действие F_sd . Результирующий продольный поток Ф_d индуцирует в обмотке S ЭДС

(5.1.11)

 

Поперечная составляющая F_sq создает в поворотном трансформаторе поперечный поток Ф_q , максимальное значение которого

(5.1.12)

где

- магнитное сопротивление магнитопровода машины.

По отношению к поперечному потоку Ф_q обмотка S является косинусной и, следовательно, в ней индуцируется ЭДС

. (5.1.13)

ЭДС Е_sq можно представить в виде:

(5.1.14)

где

(5.1.15)

- реактивное сопротивление обмотки ротора.

Таким образом, при нагрузке в синусной обмотке S продольным и поперечным потоками индуктируется результирующая ЭДС

(5.1.16)

Следовательно, ЭДС, индуцированная в синусной обмотке будет иметь вид:

(5.1.17)

Решив это уравнение относительно ,получим

, (5.1.18)

где

- некоторый комплексный коэффициент.

Аналогично можно получить выражение для ЭДС, индуцированной в косинусной обмотке:

, (5.1.19)

 

где

- комплексный коэффициент,

и – сопротивление косинусной обмотки и подключенной к ней нагрузки.

 

Таким образом, при наличии тока нагрузки и нарушаются требуемые синусоидальная и косинусоидальная зависимости изменения ЭДС E_s и E_c , а, следовательно, и выходных напряжений U_s и U_c от угла поворота α и возникает определенная погрешность. Относительная погрешность для синусной и косинусной обмоток:

(5.1.20)

 

(5.1.21)

где

и - максимальные значения напряжений и .

Действительная часть комплексов и принимается за амплитудную погрешность, мнимая – за фазовую погрешность (изменение фазы выходного напряжения синусной или косинусной обмотки по отношению к фазе или при холостом ходе). Из выражений для и следует, что для уменьшения погрешностии необходимо уменьшить величины комплексов и, т.е. увеличить сопротивления нагрузки и . Наименьшая амплитудная погрешность соответствует активной нагрузке; наименьшая фазовая погрешность – индуктивной и емкостной нагрузкам.

 

 

 

 

 

Рис. 5.4. Зависимость выходного напряжения в синусной обмотке и погрешностиот угла поворота ротора. (1-криваяпри холостом ходе;2,3- при нагрузке (и ); 4-зависимость для ; 5- зависимость для).

 

На рис. 5.4 показаны зависимости U_s=f(α) при холостом ходе (кривая 1) и при нагрузке (кривые 2 и 3), построенные по вышеуказанным формулам. При этом кривые 2 и 3 соответствуют значениям A_s, равным 0,25 и 1. Из этих кривых следует, что при нагрузке погрешность поворотного трансформатора может быть весьма значительной. Зависимости амплитудной погрешности ΔU_s от угла поворота α для указанных значений модуля комплекса A_s изображены на рисунке кривыми 4 и 5.

Исследование выражений для ипоказывает, что погрешность ΔU_s достигает максимального значения при углах α, равных 35^о16’, 144^o44’ и 215^o16’.

Для устранения погрешности поворотного трансформатора, обусловленной поперечным потоком Ф_q , применяют так называемое симметрирование трансформатора, т. е. компенсацию поперечного потока ротора. Существуют два способа симметрирования: вторичное (со стороны ротора) и первичное (со стороны статора).

 

Вторичное симметрирование. Уменьшить погрешность выходного напряжения, снимаемого с синусной обмотки, можно, если подключить к косинусной обмотке сопротивление (рис. 5.5a).

В этом случае ток, проходящий по обмотке С, создает намагничивающую силу, максимальное значение которой

. (5.1.22)

 

а) б)

Рис. 5.5. Схема синусно-косинусного трансформатора о вторичным симметрированием (а) и диаграмма МДС, создаваемых обмотками ротора (б).

 

 

НС F_c можно представить, как и НС F_s , в виде векторной суммы двух составляющих: продольной F_cd=F_ccosα и поперечной F_cq=F_csinα. Продольная составляющая F_cd совпадает по направлению с F_sd, а поперечная составляющая F_cq направлена против F_sq. При равенстве F_cq =F_sq поперечный поток Ф_q будет равен нулю. Следовательно, не будет и погрешности, обусловленной этим потоком.

Величину можно определить из условия

(5.1.23)

или

(5.1.24)

или

. (5.1.25)

Так как поперечный поток Ф_q равен нулю, то

(5.1.26)

Следовательно

(5.1.27)

Откуда

. (5.1.28)

Т.е. при равенстве результирующих сопротивлений обеих фаз ротора ток I_B в обмотке возбуждения поворотного трансформатора не зависит от угла поворота ротора, т. к. в выражении для результирующей продольной составляющей НС ротора , определяющей величину тока I_В , не входит какая-либо функция угла α:

или

(5.1.29)

где

; . (5.1.30)

Недостатком этого метода симметрирования является то, что практически он применим только при неизменном сопротивлении нагрузки.

 

Первичное симметрирование. Если нагрузка подключена только к одной из обмоток ротора, например к обмотке S (рис. 5.6а), то НС ротора по поперечной оси не равна нулю.

а) б)

 

 

Рис. 5.6. Схемы синусно – косинусных поворотных трансформаторов с первичным (а) и первичным и вторичным симметрированием (б).

 

Для уменьшения поперечного потока компенсационную обмотку К статора замыкают на какое-либо малое сопротивление или накоротко. В этом случае по поперечной оси будет действовать результирующая НС

, (5.1.31)

где

(5.1.32)

- НС, создаваемая компенсационной обмоткой.

Так как обмотка К по отношению к поперечному потоку Ф_q представляет собой замкнутую накоротко вторичную обмотку трансформатора, то результирующая НС будет значительно меньше НС первичной обмотки. Поэтому поперечный поток Ф_q и вызванная им погрешность резко уменьшается. При изменении нагрузки, подключенной к обмотке ротора, НС