МАШИНЫ �ПОСТОЯННОГО ТОКА
1
Назначение и области применения машин постоянного тока�
Машины постоянного тока (МПТ) являются обратимыми, т. е. они могут работать в качестве генератора (ГПТ) или двигателя (ДПТ) без изменения схемы.
2
Широкое применение ДПТ обусловлено следующими причинами:� • возможность плавного регулирования частоты вращения вала� • хорошие пусковые свойства: большой пусковой момент при сравнительно небольшом пусковом токе.
�ДПТ применяют в электротранспорте, в приводах прокатных станов, в системах автоматического регулирования и др. ГПТ используют в качестве возбудителей для питания обмоток возбуждения мощных синхронных машин, цеховых сетей постоянного тока, в частности, для питания ДПТ, электромагнитов, для питания электролитических ванн, зарядки аккумуляторов, сварки, в качестве датчиков частоты вращения и др.�
�Машины постоянного тока унифицированы.
Выпускаются двигатели серий 2П и 4П в диапазоне мощностей от 0,37 до 12500 кВт, частот вращения от 32 до 4000 об/мин, крановые серии Д на напряжения 220 и 440 В; генераторы серий 2ПН на напряжения 115, 230 и 460 В мощностью от 0,37 до 180 кВт с КПД = 0,6…0,9.�
Кроме того, выпускаются универсальные коллекторные двигатели (серий УЛ, УМТ, МУН), работающие от сети как постоянного, так и переменного тока. Универсальные машины находят применение в бытовой и специальной технике, как исполнительные двигатели.��Машины постоянного тока входят в состав автомобильного, судового, самолетного, ракетного и технологического электрооборудования.��Основной недостаток МПТ - наличие щёточно-коллекторного узла, который требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надёжность машин. Кроме того, для питания ДПТ требуются источники постоянного тока (ГПТ или выпрямители).
3
Устройство машин постоянного тока
Основными частями МПТ (рис. 9.1) являются статор (индуктор) и якорь, отделённые друг от друга воздушным зазором (0,3…0,5 мм).�
�
�
4
Статор (индуктор) - это стальной цилиндр 1, внутри которого крепятся главные полюса 2 с полюсными наконечниками 3, образуя вместе с корпусом магнитопровод машины. Полюсные наконечники служат для равномерного распределения магнитной индукции в зазоре между полюсами статора-индуктора и якоря. На главных полюсах расположены последовательно соединённые катушки обмотки возбуждения 4, предназначенные для создания неподвижного магнитного потока Фв машины.�
Концы Ш1 и Ш2 обмотки возбуждения (ОВ) выводят на клеммный щиток, расположенный на корпусе машины. Помимо основных полюсов внутри статора располагают дополнительные полюса 9 с обмотками 10, которые служат для уменьшения искрения в скользящих контактах (между щётками и коллектором).�
5
Устройство статора (индуктора)
Устройство якоря�
Якорь (подвижная часть машины) - это цилиндр 5, набранный из листов электротехнической стали, снаружи которого имеются пазы, в которые уложена якорная обмотка 11. Отводы обмотки якоря (ОЯ) припаивают к пластинам коллектора 6, расположенного на вращающемся в подшипниках валу 7.
Коллектор представляет собой цилиндр, набранный из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала. Коллектор играет роль механического выпрямителя переменной ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря. К коллектору с помощью пружин прижимаются неподвижные медно-графитовые щётки 8, соединённые с клеммами Я1 и Я2 щитка. Образовавшиеся скользящие контакты дают возможность соединить вращающуюся ОЯ с внешней электрической цепью (снять выпрямленное напряжение с коллектора (генераторный режим) или соединить якорную обмотку с источником постоянного напряжения и распределить токи в стержнях ОЯ таким образом, чтобы их направления под разноименными полюсами были бы противоположными (двигательный режим)). Суммарное сопротивление цепи якоря Rя = 0,5…5 Ом.�
6
Схемы возбуждения МПТ
В зависимости от того, как обмотка возбуждения включена относительно сети якоря, различают МПТ независимого возбуждения (ОВ к якорю не подключена) и МПТ с самовозбуждением, которое подразделяется на параллельное, последовательное и смешанное.
7
а) независимого, б) параллельного, в) последовательного и
г) смешанного возбуждения МПТ
Принцип работы генератора постоянного тока
Генератор преобразует механическую энергию первичного двигателя в электрическую энергию. �Принцип работы ГПТ основан на явлении электромагнитной индукции. Если посредством первичного двигателя привести якорь машины во вращение с постоянной угловой частотой w и подать постоянное напряжение в обмотку возбуждения статора, то в каждом стержне обмотки якоря будет наводиться ЭДС
е1 = Bcp l v
8
Напряжение на зажимах обмотки якоря
U = Eя - RяIя = СeФвn - RяIя,
где Rя и Iя - сопротивление цепи и ток якоря.
Свойства ГПТ определяются их основными характеристиками:
холостого хода, внешней и регулировочной.
9
Характеристика холостого хода
Eя = Ux = f(Iв) (n = const; I = 0) снимается при разомкнутой цепи приёмника и показывает, как нужно изменять ток возбуждения Iв посредством реостата Rр, чтобы получить те или иные значения ЭДС Eя генератора.
Внешняя характеристика U = f(I), представляющая собой зависимость напряжения U на выводах генератора от тока нагрузки I при n = const и Iв = const. ��Регулировочной характеристикой называют характеристику
Iв = f(I) при n = const и U = const. Она показывает, как следует изменять ток возбуждения, чтобы поддерживать постоянным напряжение U генератора при изменении нагрузки (тока I).
ГПТ независимого возбуждения и его характеристики
10
схема характеристики:
холостого хода внешняя регулировочная
Принцип работы двигателей постоянного тока
В основе работы двигателя постоянного тока (ДПТ) - преобразователя электрической энергии в механическую, приводящую во вращения вал машины, лежит закон Ампера. Для создания вращающего момента постоянное напряжение U подводится одновременно к обмотке возбуждения ОВ (создающей магнитный поток Фв машины), и (посредством неподвижных щёток) к коллектору.
11
12
Уравнение электрического равновесия для якорной обмотки выглядит следующим образом:
U = Eя + UяIя ,
где U - напряжение на зажимах якорной обмотки.
Умножив члены последнего уравнения на величину Iя, получим уравнение баланса мощностей цепи якоря ДПТ
Рэ = UIя = EяIя + RяIя2,
которое показывает, что электрическая мощность Рэ, подводимая к якорю двигателя из сети, преобразуется в электромагнитную мощность Рэм = EяIя = М/w и мощность электрических потерь Ря = RяIя2 в обмотке якоря.
Двигатели постоянного тока классифицируют по способу возбуждения: независимое, параллельное (шунтовое), последовательное (сериесное) и смешанное (сериесно-шунтовое или компаундное).
�Двигатели постоянного тока (ДПТ) параллельного возбуждения �
13
В этих двигателях обмотка возбуждения ОВ подключена параллельно с обмоткой якоря к сети (рис. 9.6, б).
В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат с сопротивлением Rр, а в цепь якоря - пусковой реостат с сопротивлением Rп.
Ток возбуждения не зависит от тока якоря Iя.
Iв = U/(Rв + Rp),
Ток якоря Iя = (U - Eя)/Rя
14
В начальный момент пуска ДПТ частота вращения якоря n = 0, по-этому противо-ЭДС Ея = 0 и ток Iя недопустимо увеличивается.
Чтобы ограничить недопустимо большой пусковой ток в обмотке якоря и, как следствие, возникающий рывок или удар на валу и искрение в контактах щётки-коллектор, последовательно с якорем включают пусковой реостат Rп (рис. 9.6, б), сопротивление которого рассчитывают из условия, чтобы пусковой ток Iяп = U/(Rя + Rп) < (2...2,5)Iян,
где Iян - номинальный ток якоря. ��При этом двигатель развивает достаточно большой пусковой момент Мп = (2…4)Мн. Это обеспечивает быстрый разгон механизма на валу. По мере разгона двигателя ЭДС якоря Ея увеличивается и сопротивление пускового реостата необходимо уменьшить до нуля, т. е. при n = nн, Rn = 0.
15
Электромеханические свойства ДПТ определяются его скоростной n(Iя) или механической n(M) характеристиками.
Скоростная характеристика представляет зависимость частоты вращения n от тока якоря Iя при U = const и Iв = const. ��Уравнение естественной скоростной характеристики получают из рассмотренного выше выражения тока якоря, решив его относительно частоты вращения,
n = (U - RяIя)/(CЕФв) = (U/CЕФв) - (Rя/CЕФв)Iя.
Механическая характеристика n(M) представляет зависимость частоты вращения якоря n от развиваемого ДПТ момента М = Мс при условии постоянства напряжения U сети и сопротивлений в цепи якоря и в цепи возбуждения.
Заменив ток Iя в выражении скоростной характеристики значением из выражения вращающего момента М = СMIяФв, получим уравнение естественной механической характеристики
n = (U/CЕФв) - (Rя/СЕСМФв2)M = n0 - n,
где n0 = U/CEФв - частота вращения якоря при "идеальном" холостом ходе (Мс = 0); сопротивления Rп = 0 и Rр = 0;
напряжение на якоре U = Uн и магнитный поток двигателя
Фв = Фвн. �
16
�Естественная механическая характеристика n(M) ДПТ параллельного возбуждения является жесткой, т. к. снижение частоты вращения n при моменте сопротивления на валу М = Мсн составляет (3…7)% от n0. ��Если сопротивление пускового реоостата Rп > 0
(Rр = 0), получают искусственные, т. н. реостатные механические характеристики 2…4 (рис. 9.6, в), проходящие через точку n0 - частоту вращения ХХ двигателя. Чем больше сопротивление Rп, тем характеристика круче.
17
Пуск ДПТ
Прямой пуск двигателя (Rп = 0) применяют только для двигателей малой мощности (до 1 кВт), у которых сопротивление якорной цепи относительно велико и обмотка якоря не успевает нагреться.
�Пуск двигателя с использованием пускового реостата называют реостатным. Перед пуском для получения максимального пускового момента при допустимом пусковом токе регулировочный реостат в обмотке возбуждения полностью выводят (Rр = 0) (при этом магнитный поток Фв имеет максимальное значение), а рукоятку переключателя пускового реостата устанавливают в положение 4 при наличии трёх ступеней реостата, ( рис. 9.6, б), при котором сопротивление Rп имеет максимальное значение. В начальный период пуск осуществляется по реостатной характеристике 4 ( рис. 9.6, в); при этом двигатель развивает максимальный пусковой момент.�
По мере разгона сопротивление пускового реостата Rп ступенчато уменьшают; разгон двигателя осуществляется по отдельным отрезкам реостатных характеристик 4, 3 и 2 (см. жирные линии на рис. 9.6, в). При полностью выведенном сопротивлении Rп и достижении значения
М = Мн частота вращения n якоря устанавливается на естественной мехaнической характеристике 1 (точка А). �
18
19
При пуске двигателей большой мощности использование пускового реостата (из-за его громоздкости и значительных потерь энергии) становится неэффективным. В этом случае применяют безреостатный пуск при пониженном напряжении, подводимом к цепи якоря. Получаемые (при условии, что Rп = 0 и Rр = 0) искусственные механические характеристики имеют вид 2 и 3 (рис. 9.6, г) и проходят параллельно естественной 1 и тем ниже, чем меньше величина напряжения U. �
Безреостатный пуск при пониженном напряжении
Способы регулирования частоты вращения и реверсирование ДПТ параллельного возбуждения
Из рассмотрения механических характеристик двигателя следует, что при моменте М = Мс = const частоту вращения якоря �� n = U/(CEФв) - ((Rя + Rn)/(CECMФв2))M = n0 - n��можно регулировать тремя способами: � • реостатным - изменением сопротивления цепи якоря
(Rя+ Rп = var); � • полюсным - изменением магнитного потока полюсов
(Rв + Rр = var); � • якорным - изменением напряжения, подводимого к якорю
(U = var). ��Реверсирование двигателей можно обеспечить изменением направления тока или в обмотке якоря, или в обмотке возбуждения
20