Электрические машины постоянного тока

§ 8.1. Назначение машин постоянного тока

Электрическими машинами называются устройства для преобразования механической энергии в электрическую или электрической в механическую. В первом случае они называются генераторами, а во втором электродвигателями.
Электрические генераторы постоянного тока применяются для питания электродвигателей, установок для электролиза, для зарядки аккумуляторов я т. д. Электродвигатели постоянного тока приводят во вращение механизмы, требующие больших пусковых вращающих моментов и широкого регулирования частоты вращения, например: электрический транспорт, шахтные подъемники, прокатные станы. В автоматических устройствах машины постоянного тока служат исполнительными двигателями, измерителями частоты вращения, преобразователями сигналов и др. В специальных устройствах металлообрабатывающих станков машины постоянного тока позволяют значительно упрощать механические схемы регулирования скорости.

§ 8.2. Устройство машины постоянного тока.

Эскиз двухполюсной машины постоянного тока представлен на рис.8-1. Машина состоит из стальной станины 1 и вращающегося якоря 2. На станине при помощи болтов укреплены полюсы З. На полюсах (рис.8-2) помещается обмотка возбуждения 4 (рис.8-1), по виткам ω_в которой проходит ток возбуждения I_в. Магнитодвижущая сила (м. д. с.) обмотки возбуждения, равная I_вω_в, создает магнитный поток возбуждения Ф, замыкающийся через полюсы, воздушный зазор между полюсами и якорем, через якорь ц станину (рис. 8-1).

Рис.8-1. Двухполюсная машина постоянного тока.

Полюсы набираются из стальных листов, и тело их оканчивается полюсными наконечниками 5, форма которых определяет распределение магнитной индукции В_σ в воздушном зазоре.

Устройство якоря машины показано на рис. 8-3. Это цилиндр 1, набранный из штампованных стальных листов, изолированных друг от друга и запрессованных на валу 2 (рис. 8-3, а). В его пазы З укладываются провода обмотки

а) б)

Рис.8-2. Полюс машины. Рис.8-3. Якорь машины.

якоря 4 (рис. 8-3, б), соединяемые друг с другом по определенной схеме, представляющей собой последовательно-параллельное (смешанное) соединение. Обмотка якоря изолируется от пазов и крепится в них специальными клиньями или бандажами 5.

На валу якоря 2 помещается цилиндрический коллектор 6, электрически изолированный от вала. Коллектор (рис. 8-4) состоит из клиновидных медных пластин 1, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками, набранными на втулке 2 и закрепленными на ней болтами. К выступам коллекторных пластин З, называемых «петушками», припаиваются определенные концы проводников, составляющих обмотку якоря. К поверхности коллектора прилегают угольные или графитовые неподвижные щетки 6 (рис 8-1), к которым присоединяются провода внешней сети. Таким образом, провода внешней сети через щетки и коллектор соединяются с вращающейся обмоткой якоря.

Рис.8-4. Конструкция коллектора.

Другое назначение коллектора — преобразование переменных э д. с., наводимых в проводах обмотки якоря, в постоянную э. д. с. машины Е на основе переключений (коммутации).

Устройство щеточного механизма показано на рис. 8-5. Щетки в форме угольных или графитных призм 1 помещены в обоймы 2 щеткодержателя. Щеткодержатель крепится на специальном пальце (болте), проходящем сквозь отверстие 4 и установленном на подшипниковом щите машины изолированно от нее. Гибкие медные проводники осуществляют контакт щеток с зажимами цепи якоря на изолирующем щитке, обозначенными буквами Я₁, Я₂.

Рис. 8-5. Щетки и щеткодержатель. Рис.8-6. Внешний вид машины

постоянного тока.

Зажимы обмоток возбуждения, расположенные на том же щитке, обозначаются буквами Ш₁ и Ш₂ — параллельная (шунтовая); С₁, С₂ — последовательная (сериесная) и Д, Д - дополнительных полюсов. Внешний вид машины постоянного тока показан на рис. 8-6.

§ 8.3. Принцип работы машины постоянного тока.

Упрощенная схема работы машины постоянного тока показана на рис. 8-7. Щетки присоединены к ножам перекидного рубильника переключателя 1, что позволяет соединять якорь с нагрузкой r или с питающей сетью. Обмотка возбуждения 2 подключена к внешней сети.

Рис.8-7. Принцип работы машины постоянного тока.

Пусть якорь, соединенный с электрической нагрузкой, приводится во вращение первичным двигателем, например тепловым. Тогда в обмотке якоря, вращающейся в магнитном поле, созданном током возбуждения I, наводится э. д. с. Е и в сопротивлении т проходит ток. Направление э. д. с. и тока в якоре 1.,, найденное по правилу правой руки, показано на рис. 4-7. Направление электромагнитных сил Р, действующих на провода с током, находящиеся в магнитном поле, также показано на рис. 8-7. Эти силы создают тормозной момент на валу машины. Первичным двигателем создается вращающий момент М, встречный тормозному моменту. Таким образом, машина работает в режиме генератора, превращая механическую энергию в электрическую.
По закону Ома ток

Следовательно,

т. е. ЭДС Е генератора больше напряжения на величину падения напряжения в якоре Ir_Я.
Если вал этой машины отсоединить от первичного двигателя, а ножи переключателя 1 перевести в верхнее положение (рис. 8-7), то в обмотке якоря установится ток I = I, направление которого обратно рассмотренному ранее. Электромагнитные силы, созданные взаимодействием этого тока и магнитного поля, имеют также обратное направление и будут создавать вращающий момент М_В, под действием которого якорь будет вращаться в прежнем направлении. В этом случае электрическая энергия, поступающая из сети, превращается в механическую и машина работает электродвигателем.

Коллектор и щетки осуществляют переключение секций обмотки вращающегося якоря таким образом, чтобы при переходе активных проводников из зоны северной полярности в зону южной в них изменялось направление тока, что необходимо для сохранения постоянного направления вращения.

В обмотке якоря электродвигателя, так же как и в обмотке генератора, наводится э. д. с. Е. Только теперь направление ее будет встречно току I_Я, в чем легко убедиться, применив правило правой руки. Эта э. д. с. называется встречной э. д. с. или противо-эдс.

По второму закону Кирхгофа

, или ,

а ток

При работе машины электродвигателем э: д. с. Е меньше напряжения на зажимах якоря U на величину падения напряжения в обмотке якоря Ir_Я.

Изменение направления вращения электродвигателя производится изменением направления тока в цепи якоря или в обмотке возбуждения. Одновременное изменение направлений токов в обеих обмотках не вызывает изменения направления вращения, в чем легко убедиться, рассматривая рис. 8-7.

§ 8.4. Генераторы.

Предназначены для преобразования механической энергии в электрическую. Преобразование происходит во время вращения якоря генератора в магнитном поле, которое создается в обмотках возбуждения, при этом в проводниках обмотки якоря, согласно явлению электромагнитной индукции, индуктируется ЭДС. В зависимости от того, каким образом обмоткой возбуждения генератора создается магнитное поле внутри машины, различают генераторы с независимым возбуждением и с самовозбуждением.

Рис.8-8.

Рис.8-9.

Рис.8-10.

Генератор постоянного тока с независимым возбуждением (рис.8-8).

У такого генератора магнитный поток возбуждения создается обмоткой возбуждения LG, которая питается от независимого источника постоянного тока U_В, т.е. в схеме присутствует два источника постоянного тока генератор и U_В (источник для питания цепи возбуждения). Процесс возбуждения такого генератора производится следующим образом: генератор разгоняют до номинальной скорости, при этом нагрузка R_Н генератора отключена с помощью автоматического выключателя QF1 от генератора. Также отключен источник U_В с помощью QF2 от обмотки возбуждения. Автоматические выключатели предназначены для подключения генератора к нагрузке (QF1) и подключения обмотки возбуждения к независимому источнику U_В (QF2). Также с помощью их эти цепи защищены от максимальных токов. Затем с помощью QF2 подключается LG к U_В. С помощью регулировочного реостата R_рг, уменьшая сопротивление этого реостата, тем самым, увеличивая ток возбуждения генератора I_В, магнитный поток возбуждения, а значит ЭДС генератора возрастает.

где с_е – электрическая постоянная генератора; n – частота вращения якоря приводного двигателя; Ф – магнитный поток возбуждения.

ЭДС генератора растет до определенной величины, точки соответствуют номинальному напряжению U_Н, которое лежит как правило на колене кривой характеристики холостого хода. Процесс возбуждение описывается характеристикой холостого хода. Зависимость .

Рис.8-11.

Для получения такой характеристики генератор вначале намагничивают (увеличивают ток возбуждения), размагничивают (уменьшают ток возбуждения до 0) и такой цикл делают три раза. Результаты значений Е, I_В заносят в таблицу и строят характеристику. При этом отмечают, что, когда I_В=0 и соответствуют значению Е_ост (за счет остаточной магнитной индукции в теле якоря и полюсов наконечников), которое составляет 2-5% от U_ном. За счет Е_ост будет происходить процесс самовозбуждения генератора с параллельным возбуждением и со смешанным возбуждением. Точка I_В, соответствующая значению U_ном, называется током возбуждения генератора при холостом ходе и номинальном напряжении. U_ном в режиме холостого хода приблизительно на 10-20% выше номинального напряжения генератора при работе его под нагрузкой.

Внешняя характеристика генератора (характеристика рис.8-8).

Представляет собой зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки, т.е. .

Рис.8-12.

Как видно из характеристики с увеличением нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается. Уменьшение напряжения на зажимах генератора объясняется следующими причинами, причем, надо помнить, что для всех генераторов постоянного тока справедливо следующее

здесь Е – ЭДС генератора равное , т.к. при работе любого генератора его частота вращения (частота вращения приводного двигателя) с помощью регулятора частоты вращения поддерживается постоянной, то ЭДС генератора сильно зависит от величины магнитного потока возбуждения, причем величина этого потока может меняться в зависимости от тока возбуждения генератора; I_Я и R_Я – ток и сопротивление цепи якоря.

Для генератора с независимым возбуждением ток якоря равен току нагрузки, что означает, что с увеличением тока нагрузки растет ток якоря. Поэтому, первая причина снижения напряжения следующая: т.к. с увеличением нагрузки ток якоря возрастает, то произведение I_ЯR_Я увеличивается, то значит уменьшается. Вторая причина: с увеличением тока нагрузки возрастает тормозная сила (растет тормозной момент), действующая со стороны магнитного поля на проводники с током обмотки якоря, что приводит к уменьшению частоты вращения приводного двигателя (генератора) несмотря на то, что частота вращения приводного двигателя регулируется регулятором. А т.к. , то ЭДС генератора уменьшается и уменьшается напряжение на зажимах генератора.

Процентное изменение напряжения на зажимах генератора при изменении нагрузки от 0 до номинальной составляет от 5 до 10% и определяется

где U₀ – напряжение генератора в режиме холостого хода, когда I_Н=0.

Генератор с параллельным возбуждением.

В отличие от предыдущего, процесс возбуждения генератора происходит за счет остаточной магнитной индукции, присутствующей в теле якоря и полюсных наконечниках.

Рассмотрим процесс самовозбуждения такого генератора, который происходит при отключенной нагрузке от генератора (с помощью QF). Т.к. обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря (поэтому он называется генератор с параллельным возбуждением), то при вращении якоря в его обмотке, за счет действия потока остаточной магнитной индукции, наводится ЭДС, которая является причиной протекания тока в обмотке возбуждения, которая создает свой магнитный поток возбуждения и который обязательно по направлению должен совпадать с потоком остаточной магнитной индукции. Поэтому, оба эти потока суммируясь теперь создают еще большую ЭДС в обмотке якоря генератора, а значит ток возбуждения генератора станет больше, магнитный поток станет больше, следовательно, смотри характеристику холостого хода. Внешняя характеристика такого генератора более мягкая (характеристика рис.8-9), т.е. напряжение на е зажимах уменьшается значительнее при увеличении нагрузки, что объясняется следующими причинами: первая и вторая такие же как и предыдущие, всегда следует помнить, что для этого генератора и такие же ; третья, т.к. по первым двум причинам напряжение уменьшается, то уменьшается ток возбуждения генератора, поэтому, магнитный поток уменьшается и ЭДС генератора уменьшается.

Процентное изменение такого генератора составляет порядка 30%, поэтому они не могут работать без регулятора напряжения.

Генератор со смешанным возбуждением.

Процесс возбуждения такого генератора происходит аналогично, как и у генератора с параллельным возбуждением. Отличительной особенностью от всех существующих генераторов является то, что магнитный поток возбуждения при работе генератора под нагрузкой создается совместным действием обеих обмоток LG, основная часть магнитного потока ей создается и последовательной LG₂, которая играет важную роль при решении вопросов стабилизации напряжения на зажимах генератора.

Последовательная обмотка может включена по отношению к параллельной согласно ( тогда магнитные токи, создаваемые ими, будут складываться, формирую общий магнитный поток) или встречно (тогда магнитные токи будут вычитаться). Согласное включение обмоток генератора применяется в тех случаях, когда генератор используется в режиме источника постоянного тока. Тогда с увеличением нагрузки, как видно из схемы включения генератора нагрузки, с увеличением тока нагрузки растет магнитный поток, создаваемый обмоткой LG₂ (последовательной), поэтому результирующий магнитный поток машины растет, что приводит к увеличению ЭДС генератора, значит напряжение на его зажимах практически не изменяется (смотри характеристику 3). Поэтому такие генераторы являются основными источниками электрической энергии постоянного рода тока.

Встречное включение обмоток применяется в тех случаях, когда генератор может быть использован как сварочный аппарат. При этом получают круто падающую характеристику, напоминающую характеристику сварочного трансформатора.

Рис.8-13.

§ 8.5. Двигатели постоянного тока.

Рис.8-14.

I_Я – ток якоря.

Рис.8-15.

Рис.8-16.

I – ток, потребляемый двигателем из сети.

QF₁, QF – автоматический выключатель для подключения двигателя М к сети постоянного тока U_С. QF₂ – автоматический выключатель для подключения обмотки возбуждения LM к цепи источника возбуждения U_В. R_П – пусковой реостат для снижения пускового тока двигателя. R_РГ – регулировочный реостат с целью изменения величины тока возбуждения двигателя I_В (магнитного потока возбуждения Ф) для регулирования частоты вращения двигателя.

Принцип работы. При подключении двигателя в сеть ток, проходя по обмотке возбуждения, создает внутри машины магнитное поле, которое взаимодействуя с токами, протекающими в проводниках обмотки якоря (I_а, I_я), вызывает появление на валу якоря электромагнитных сил, направленных касательно к поверхности якоря (пара сил создает момент) и якорь начинает вращаться. Т.е., электрическая энергия переходит в механическую. При вращении якоря в магнитном поле в каждой активной стороне согласно явлению электромагнитной индукции наводится ЭДС

направление которой, найденное по правилу правой руки, противоположно току якоря и называется противо ЭДС.

Пуск двигателя постоянного тока. Ток, потребляемый двигателем при пуске (он же ток якоря).

здесь U – напряжение питания двигателя (U_С); E – противо ЭДС двигателя; R_Я – сопротивление цепи якоря.

Т.к. при пуске Е=0 (n=0), то ток, потребляемый двигателем из сети (ток якоря, - максимальный и называется пусковым, в 8-10 раз превышает номинальный ток двигателя. С целью снижения пускового тока: 1. надо уменьшить напряжение подводимое к двигателю (применяется только к схеме рис.8-14); 2. увеличить на время пуска сопротивление цепи якоря добавив в цепь пусковой реостат R_П.

Затем после разгона двигателя надо повысить напряжение для схемы (рис.8-14) до номинального и полностью вывести реостат из схем (рис.8-15) и (рис.8-16).

Схема (рис.8-14) – двигатель постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения.

Схема (рис.8-15) – двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением (шунтовой). Обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря.

Схема (рис.8-16) – двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением (сериесный).

Механическая характеристика и ее особенности. Представляет собой зависимость частоты вращения двигателя от вращающего момента на его валу, т.е. .

Естественной механической характеристикой называется зависимость, полученная при номинальных параметрах сети, а также при отсутствии дополнительных резисторов в цепях якорей возбуждения.

Искусственной механической характеристикой называют характеристику, полученную при питании двигателя напряжением отличным от номинального, а также при наличии дополнительных сопротивлений в цепях машины.

Для схемы (рис.8-14) механическая характеристика имеет вид.

Рис.8-17.

где n₀ – скорость идеального холостого хода; - крутизна характеристики.

Эти двигатели часто применяют там, где требуется широкий диапазон регулирования скорости вращения (1:20), что необходимо в схемах приводов подачи деревообрабатывающих станков. Здесь для получения такого широкого диапазона изменяют величину напряжения U_С, питающее двигатель (U_С уменьшают).

Для схемы (рис.8-15) характеристика аналогична.

Эти двигатели самые распространенные, применяются для привода основного технологического оборудования лесопромышленных предприятий.

Регулирование скорости вращения такого двигателя осуществляется изменением величины тока возбуждения двигателя с помощью R_РГ. Диапазон регулирования таким способом небольшой, но самый экономичный.

Механическая характеристика двигателя к схеме (рис.8-16).

Рис.8-18.

При нагрузках менее 25-30% от номинальной частота вращения двигателя достигает огромных значений, что приводит к механическим разрушениям. Поэтому, такие двигатели нельзя включать без нагрузки, а также соединять их с механизмом при помощи ременных передач. Их также можно использовать в качестве тяговых двигателей на электротранспортере.

Реверс.

Для изменения направления вращения:

1. не меняя направление тока в цепи якоря изменить направление тока в цепи возбуждения;

2. не меняя направления тока в цепи возбуждения изменить направление тока в цепи якоря.

§ 8.6. Потери и коэффициент полезного действия.

Часть подведенной к электрической машине энергии не может быть полезно использована в машине и рассеивается в виде тепла в окружающее пространство. Эту часть энергии называют потерями.

Потери в стали Р_ст или магнитные возникают в теле якоря и полюсных наконечников при перемагничивании от гистерезиса и вихревых токов. Мощность этих потерь зависит от частоты перемагничивания f=рп/6О и максимального значения магнитной индукции В_м.

Потери механические Р_мех, получаются в подшипниках при трении вращающихся частей о воздух и трении щеток о коллектор. Мощность механических потерь пропорциональна частоте вращения машины п. Если частота вращения п и Ток возбуждения I_в неизменны, то потери Р_ст + Р_мех постоянны. Они называются потерями холостого хода Р_х.

Потери электрические возникают при прохождении тока по обмотке якоря и переходному контакту между щетками и коллектором, а также во всех обмотках возбуждения и дополнительных полюсов:

Потери в щеточном контакте , определяются по падению напряжения , которое принимается: 2 В — для угольных, графитных и электрографитированных щеток и 0,6 В для медно-графитных щеток.

Потери добавочные Р_доб в обмотке и стали якоря вызываются искажением магнитного поля реакцией якоря и полями, возникающими вокруг секций, которых происходит коммутация. Эти потери оцениваются от 0,01 до 0,005 U_НI_Н, и считаются пропорциональными .

Коэффициентом полезного действия электрической машины называется отношение полезной мощности Р2 к затраченной (полной) мощности Р1. Тогда для генератора

Для электродвигателя

График изменения к. п. д. в зависимости от полезной мощности Р2 показан на рис. 4-27. Когда полезная мощность мала и потери холостого хода Р сравнимы с ней, то к. п. д. мал. С ростом полезной мощности к. п. д. быстро нарастает, так как потери холостого хода постоянны. При увеличении нагрузки электрические потери Р возрастают пропорционально квадрату тока и рост к. п. д. замедляется. Наибольшее значение к. п. д. обычно наступает (75÷100%)Р_н и равно 70—93%. Большие цифры относятся к более мощным машинам.

Контрольные вопросы:

1. Какие устройства называются машинами постоянного тока?

2. Опишите устройство машин постоянного тока.

3. Объясните общие принципы машин постоянного тока.

4. В чем отличие работы генератора постоянного тока от электродвигателя постоянного тока?

5. Схема и принцип действия генератора постоянного тока.

6. Внешние характеристики постоянного тока.

7. Принцип работы генератора с параллельным возбуждением.

8. Принцип работы генератора со смешанным возбуждением.

9. Схема и принцип действия двигателя постоянного тока.

10. Пуск двигателя постоянного тока.

11. Механические характеристики постоянного тока.

12. Как осуществляется реверс в двигателях постоянного тока?

13. Как рассчитать потери и КПД в машинах постоянного тока?

ГЛАВА 9