Курс лекций и задач по физике

Машины постоянного тока. Устройство.

Основными частями машины являются:

Статор – неподвижная часть, которая служит для создания постоянного неподвижного магнитного поля;

Якорь – вращающаяся часть машины.

Статор – литой, на его внутренней поверхности смонтированы чередующиеся полюсы, на которых смонтированы обмотки возбуждения, создающие магнитное поле.

Якорь собирается из листовой электротехнической стали,в пазах якоря размещается секционированная оботка. Секции обмотки соединяются между собой и с пластинами коллектора. Коллектор монтируется на одном валу с якорем и представляет собой цилиндр, собранный из отдельных изолированных друг от друга медных пластин. Коллектор предназначен для преобразования переменного тока якоря генератора в постоянный для внешней цепи и для поддержания постоянства направления вращающего момента в двигателе. Для соединения якоря с внешней цепью на коллектор накладывается медно-графитовые щетки, которые крепятся в специальных щеткодержателях и осуществляют скользящий контакт якоря и внешней цепи.

При вращении якоря в магнитном поле статора в нем возникает ЭДС:

 (3.3)

и электромагнитный момент

 (3.4)

который при работе машины генератором является тормозящим, а при работе двигателем – вращающим. В формулах 3.3 и 3.4 СЕ и СМ – константы; n – частота вращения якоря; Ф – магнитный поток; IЯ – ток якоря. Требуется определить токи ветвей, показания всех приборов, составить баланс мощностей.

Основными режимами работы машин постоянного тока в настоящее время является двигательный. В генераторном режиме они используются редко, т. к. имеются надежные и экономичные статические преобразователи переменного тока в постоянный.

3.4. Двигатели постоянного тока.

Двигатели постоянного тока широко используются в современных электроприводах, когда требуется плавное изменение частоты вращения и высокий пусковой момент. Полный цикл работы двигателя можно разделить на четыре этапа:

1.Пуск – период, в течении которого двигатель разгоняется от нулевой скорости до рабочей. Он характеризуется пусковым током, который по возможности должен быть малым; пусковым моментом, который наоборот должен быть высоким, и временем пуска, которое должно быть небольшим.

2.Рабочий период – характеризуется неизменным напряжением на якоре и обмотке возбуждения. Основными характеристиками механической энергии на этом этапе являются вращающий момент и частота вращения, наиболее важной рабочей характеристикой является механическая характеристика n=f(Мвр).

3.Регулирование – в этот период осуществляется воздействие на цепи обмоток возбуждения и якоря с цепью изменения чисел оборотов машины. Способ регулирования определяется пределом и ступенями изменения частоты вращения и экономичностью результатов.

4.Торможение – в большинстве случаев осуществляется естественным путем под действием трения.

3.5.Двигатель параллельного возбуждения.

В двигателе параллельного возбуждения обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря, поэтому IВ≠f(IЯ), а общий ток, потребляемый машиной складывается из тока якоря и тока возбуждения. Каждый из этих токов может быть вычислен по закону Ома.

 и 

Из основного уравнения двигателя следует:

 (3.5)

ЭДС якоря , в момент пуска когда n=0 и Е=0, тогда:

 

Поскольку сопротивление якоря очень мало, то пусковой ток якоря значительно превышает номинальный. У современных двигателей кратность пускового тока составляет: .

Такой толчок тока опасен для целостности коллектора двигателя, вызывает падения напряжения в сети, что негативно отражается на работе других потребителей, питающихся от той же сети. Поэтому для ограничения пускового тока в цепь якоря включается пусковой реостат, сопротивление которого берется таким образом, чтобы кратность пускового тока не превышала 2,0÷2,5, т. е.:

 

После разгона двигателя напряжение на его якоре будет описывается уравнением:

 (3.6)

тогда частота вращения якоря будет:

 (3.7)

Уравнение 3.7 называется скоростным, оно показывает возможные пути регулирования частоты вращения:

1.Изменением тока якоря;

2.Изменением напряжения;

3.Изменением магнитного потока, т. е. тока возбуждения.

Последний способ наиболее предпочтителен, поскольку ток возбуждения не велик и регулирование не связано с большими энергетическими затратами.

Для изменения тока возбуждения в цепь обмотки возбуждения включают регулировочный реостат.

Вращающий момент, возникающий при работе двигателя:

 откуда  

Подставляя последнее выражение в скоростное уравнение 3.7, получим уравнение механической характеристики:

 (3.8)

Уравнение 3.8 есть уравнение прямой в отрезках на осях. Как видно из рис. 3.6 механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения жесткая, т. е. изменения частоты вращения при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной не превышает 5%. Эта характеристика называется естественной.

При включении в цепь якоря реостата характеристики становятся мягче, на рис. 3.6 она указана, как реостатная.

Значение пускового момента можно определить графически, если продлить естественную характеристику до пересечения с осью моментов. Аналитическое выражение для пускового момента можно получить, положив n=0 в уравнение 3.8. Тогда:

 (3.9)

Двигатели параллельного возбуждения имеют большой пусковой момент и допускают глубокое и плавное регулирование, имеют очень жесткую механическую характеристику. По этим причинам они применяются в приводах, где по условиям работы требуется большое постоянство скорости в широком диапазоне нагрузок, в приводах с тяжелыми условиями пуска, а также в тех случаях, когда требуется в широком диапазоне изменять скорость работы технологического оборудования.

 

 

Двигатель последовательного возбуждения.

У двигателя последовательного возбуждения обмотка возбуждения включается последовательно с якорем. Поэтому магнитный поток двигателя зависит от тока якоря, а значит от нагрузки: IВ = IЯ, Ф = f(IЯ). Качественно величину магнитного потока можно оценить, воспользовавшись магнитным законом Ома:

 (3.10),

где Rм – магнитное сопротивление.

Скоростное уравнение получается аналогично двигателю параллельного возбуждения:

;

и  (3.11)

Уравнение 3.11 показывает, что регулировать частоту вращения можно теми же способами, что и у двигателя параллельного возбуждения.

Подставим в 3.11 значение потока из 3.10:

 (3.12)

Из 3.12 следует, что частота вращения якоря практически обратно пропорциональна току якоря.

Подставляя в выражение  значение потока из 3.10, получим:

,

тогда ток якоря:

 (3.13)

Следовательно, при увеличении нагрузки ток, потребляемый двигателем, увеличится незначительно.

Подставляя значение тока из 3.13 в скоростное уравнение 3.12, получаем:

 и объединяя постоянные величины получим уравнение механической характеристики:

 (3.14)

Уравнение 3.14 показывает, что механическая характеристика этого двигателя мягкая. Двигатель последовательного возбуждения легко выносит перегрузки, т. к. при перегрузках ток возрастает не сильно. Двигатель имеет большой пусковой момент, пропорциональный квадрату напряжения. Аналитическое выражение пускового момента можно получить из уравнения механической характеристики, положив n = 0, тогда:

 

По этим причинам двигатели последовательного возбуждения широко применяются на магистральном и городском электротранспорте.


На главную