Transcript Машин пост тока

12. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО
ТОКА
12.1. Устройство и принцип работы
12.1.1. Машины постоянного тока широко
используются
как
двигатели
и
как
генераторы. Двигатели постоянного тока
имеют значительные преимущества перед
двигателями других типов:
допускают плавное регулирование скорости
вращения вала различными способами;
создают большой пусковой момент.
В генераторах постоянного тока можно
плавно регулировать ЭДС в широких
пределах.
• 12.1.2. Генератор превращает механическую
энергию в электрическую. Индуцированная ЭДС
преодолевает падение напряжения в обмотке
якоря и сопротивления нагрузки, т. е.
E  U  I  RЯ ,
• где  RЯ
— суммарное сопротивление цепи
якоря.
• Это — основное уравнение генератора.
• Двигатель превращает электрическую энергию в
механическую. ЭДС якоря противодействует внешнему
напряжению, которое преодолевает в этом случае и
падение напряжения в обмотке якоря. Таким образом,
основное уравнение двигателя имеет вид
U  E  I  RЯ .
• 12.1.3. Если вращать рамку в магнитном
поле, то индуцированная в проводнике
ЭДС определяется по закону
электромагнитной индукции
eпр  Вlv.
• Если в рамке протекает ток и рамка
находится в магнитном поле, то по
закону электромагнитной силы
Fпр  BIl.
• На этих положениях основывается работа
генератора и двигателя постоянного тока.
• 12.1.4. Машина постоянного тока состоит из статора и
якоря. Неподвижная часть называется статором,
вращающаяся часть — якорем. Вообще якорем
называется часть машины, в обмотке которой
индуцируется ЭДС. Статор представляет собой станину,
внутри которой установлены полюсы. Сердечник полюса
набирается из листов электротехнической стали.
Обмотка полюсов называется обмоткой возбуждения.
Она включается таким образом, что полюсы чередуются
по кругу (N-S-N-S и т. д.). Статор создает основной
магнитный поток. Геометрическая нейтраль делит
пространство между полюсами и является линией
нулевой индукции. Сердечник якоря набирается из
колец электротехнической стали. В пазы сердечника
укладывается обмотка якоря. Отдельные секции
обмотки якоря соединяются с пластинами коллектора.
Из следующего рисунка, на котором приведено сечение
коллектора, видно, что каждая его пластина
изолирована. С помощью щеток на пластины коллектора
подается напряжение, если машина работает как
двигатель. Если машина работает как генератор, со
щеток снимается постоянное напряжение.
12.2. Электродвижущая сила
• 12.2.1. Если в магнитном поле движется
проводник со скоростью v, то по закону
электромагнитной индукции в нем
индуцируется ЭДС:
епр  Вlv.
• 12.2.2. Чтобы определить ЭДС якорной
обмотки, нужно учесть соединения
проводников в обмотку, т. е.
N
N
E Я  епр
 Blv ,
2a
2a
• где N — количество проводников в
обмотке,
• 2а — число параллельных ветвей,
N
• 2a
— количество проводников,
включенных последовательно.
Dn 

• 12.2.3. Если учесть линейную скорость
v



60 

,

D 
•
 

2p 

• полюсное деление
, магнитный
поток
• (Ф=Blτ), то ЭДС можно определить как
Nn 2 p pN
Е Ф

Фn.
 2a60 60 a
• 12.2.4. Величина
pN
CЭ 
60 a
• зависит только от конструкции машины
(числа пар полюсов, количества
проводников и особенностей
соединения обмотки). Эта величина Сэ
называется постоянной машины и
входит коэффициентом в формулу ЭДС
якорной обмотки.
• 12.2.5. ЭДС якорной обмотки зависит от
• основного магнитного потока;
• числа оборотов якоря, т. е.
Е Я  СЭФn.
• 12.3. Электромагнитный момент
• 12.3.1. В соответствии с законом
электромагнитной силы на проводник с
током в магнитном поле действует сила
Fпр  BIпр l ,
• где Iпр — сила тока в проводнике.
• 12.3.2. Чтобы определить
электромагнитный (вращающий)
момент, необходимо эту силу умножить
на плечо (D/2) и учесть количество про
водников, т. е.
D
M  Fпр N .
2
• 12.3.3. Если учесть ток якоря (IЯ = 2аIпр,
2а — число параллельных проводников

D 
в обмотке якоря), полюсное деление
 

2p 

, магнитный поток (Ф=Blτ), вращающий
момент можно определить как
pN
М
I Я Ф.
2a
• 12.3.4. Величина
pN
CМ 
2a
• зависит только от особенностей
конструкции машины и называется
постоянной машины. Она входит в
формулу электромагнитного момента
М  СМ ФI Я .
• Иначе говоря, момент машины зависит
от силы тока якоря и основного
магнитного потока.
• 12.4. Реакция якоря
• 12.4.1. Если генератор
постоянного я тока
отключен от нагрузки, то в
цепи якоря ток отсутствует.
Но если включается
нагрузка, то в обмотке
якоря протекает ток, т. е.
обмотка возбуждает
собственное магнитное
поле. Если объединить все
верхние и нижние
проводники, то легко
определить направление
магнитного поля якоря.
Магнитный поток якоря
направлен поперек
основного магнитного
потока.
• 12.4.2. Влияние потока
якоря на основной
магнитный поток
называется реакцией
якоря машины
постоянного тока (или
поперечной реакцией).
•
12.4.3. Реакция якоря
искажает основной
магнитный поток. С
одной стороны полюса
магнитный поток
усиливается, а с другой
— ослабляется.
Реакция якоря смещает
линию нулевых
индукций. На
геометрической
нейтрали
устанавливается
индукция, отличная от
нуля. Линия нулевой
индукции превращается
в физическую
• 12.4.4. Вследствие реакции якоря
искажается основной магнитный
поток;
• на геометрической нейтрали
устанавливается индукция,
отличная от нуля;
• вообще магнитный поток
ослабляется
• Реакция якоря — крайне
нежелательное явление.
• 12.4.5. Чтобы
уменьшить влияние
реакции якоря, в
генераторах и
двигателях применяют
дополнительные
полюсы.
Дополнительные
полюсы устанавливают
на геометрической
нейтрали. Обмотка
дополнительных
полюсов включается
последовательно в
цепь якоря, и созданное
поперечное поле
компенсирует поле
якоря.
• 12.4.6. Влияние реакции якоря
уменьшают с помощью
компенсационных обмоток. Она также
включается последовательно в цепь
якоря. Таким образом возбуждается поле,
которое компенсирует поле якоря. На рис.
приведена схема включения обмотки
дополнительных полюсов и
компенсационной обмотки.
• 12.4.7. Дополнительные
полюсы и компенсационные
обмотки могут в значительной
мере устранить влияние
реакции якоря. Но
компенсационные обмотки
используются реже из-за
повышения стоимости
электрической машины.
• 12.5. Возбуждение машин
постоянного тока
• 12.5.1. Стандартом
предусматриваются
упрощенный и развернутый
способы графического
обозначения машины
постоянного тока. На рис.
приведено стандартное
изображение всех обмоток
машин постоянного тока.
Нужно помнить, что имеет
значение количество
полуокружностей на
обозначениях. Взаимное
расположение обмоток
может не учитывать
направление магнитного
потока, создаваемого
обмоткой.
• 12.5.2. Возбуждением машины
постоянного тока называется
способ создания основного
магнитного потока. В
зависимости от включения
обмотки возбуждения и обмотки
якоря различают пять способов
возбуждения.
• 1. Независимое
возбуждение.
• В этом случае
обмотка
возбуждения
включается на
автономный
источник питания.
•
•
2. Параллельное
(шунтовое)
возбуждение.
Обмотка
возбуждения
включается
параллельно
обмотке якорю.
Обычно
сопротивление
обмотки
возбуждения
большое, она
изготовляется
многовитковой из
тонкого провода.
• 3. Последовательное
(сериесное)
возбуждение.
• Обмотка возбуждения
включается
последовательно с
обмоткой якоря. Ток якоря
является одновременно и
током возбуждения.
Обмотка возбуждения
рассчитывается на
большой ток, имеет
небольшое количество
витков и изготовляется из
провода большого
сечения.
•
4. Смешанное
(компаундное)
возбуждение
•
Обмотка
возбуждения имеет
две катушки. Одна
из них включается
последовательно, а
другая
параллельно
обмотке якоря. Эти
машины имеют
свои преимущества
перед машинами
других типов.
•
•
5. Возбуждение
постоянными
магнитами.
Машины этого
типа не имеют
обмотки
возбуждения, а
основной поток
создается
постоянными
магнитами
статора.
• 12.6. Генераторы независимого возбуждения
• 12.6.1. Свойства и особенности работы генераторов
изучают по их характеристикам — графическим
зависимостям, которые определяют экспериментально
или вычисляют теоретически. Генераторы изучают по
трем
основным
характеристикам.
Внешняя
характеристика генератора — это зависимость
напряжения на зажимах якоря от тока нагрузки, когда
ток возбуждения
U  U I Я ,остается неизменным, т. е.
• при Iвоз = const.
• Регулировочная характеристика — это зависимость
тока возбуждения от тока якоря, когда на нагрузке
сохраняется
напряжение, т. е.
I Я ,
I воз  I возпостоянное
• при U = const.
• Характеристика холостого (нерабочего) хода —
это зависимость ЭДС якоря от тока возбуждения, когда
отключена цепь нагрузки, т. е.
• Е = Е(Iвоз), при п = const.
• 12.6.2. Характеристика
холостого (нерабочего)
хода генератора
независимого
возбуждения является
одновременно и
магнитной
характеристикой системы.
Как и кривая
намагничивания,
характеристика повторяет
форму петли гистерезиса.
После выключения
возбуждения машины
остаточная ЭДС будет
значительно большей, чем
в начале работы
генератора. Остаточный
магнетизм нестойкий и
спустя некоторое время
• 12.6.3. Внешняя характеристика
генератора (зависимость напряжения на
нагрузке от тока нагрузки при
нерегулируемой цепи возбуждения)
приведена на рис.
• Основное уравнение генератора имеет вид:
U  E  I  RЯ ,
• где потери в цепи якоря
I  RЯ  I RЯ  RД .П  RК .О  RЩ.К .
• Если нагрузка отключена (I = 0), то U = Е. При
повышении тока нагрузки потериI  RЯ 
увеличиваются, а напряжение уменьшается. С
другой стороны, повышение тока уменьшает
основной поток из-за влияния реакции якоря.
Это снижает ЭДС, Е = СэФп, т. е. уменьшает
также напряжение на нагрузке. Из основного
уравнения генератора можно вычислить ток
ЕR = 0,
короткого замыканияI (при
U = 0)
н.



Я
R
Я
• 12.6.4. Регулировочная
характеристика
(зависимость тока
возбуждения от тока якоря при
постоянном напряжении на
нагрузке).
• Чтобы сохранить напряжение
на нагрузке при повышении
тока якоря, нужно увеличить
ток возбуждения. Это
вытекает
изEосновного
U
 I  RЯ .
уравнения генератора
• Повышение тока возбуждения
приводит к увеличению
основного магнитного потока,
увеличению ЭДС и дает
возможность оставить
неизменным напряжение U.
• 12.7. Самовозбуждение генераторов
12.7.1. У большинства генераторов обмотка
возбуждения так или иначе соединяется с
обмоткой
якоря.
Небольшой
остаточный
магнитный
поток
при
вращении
якоря
индуцирует в нем некоторую ЭДС, которая
создает ток как в обмотке якоря, так и в обмотке
возбуждения. Этот ток через какоето время
становится достаточным для возбуждения
номинального
магнитного
потока.
Такие
генераторы называются генераторами с
самовозбуждением.
Таким
образом,
все
генераторы, кроме генераторов независимого
возбуждения,
являются
генераторами
с
самовозбуждением.
•
12.7.2. Если обмотка возбуждения включена
параллельно обмотке
якоря, то в режиме холостого хода
iвоз 
•
•
Е  еL
,
Rвоз  RЯ
где Rвоз — сопротивление обмотки возбуждения.
di
Учитывая, что Rвоз >> RЯ, еL   L воз , можно получить
dt
зависимость
Е  iвоз Rвоз  L
•
diвоз
.
dt
Это уравнение характеристики холостого (нерабочего) хода
генератора Е=f(iвоз). При раскрутке якоря генератора постепенно
возрастают магнитный поток и ток возбуждения. Такое
возрастание ограничено магнитным насыщением сердечника.
Переходный процесс заканчивается, когда ЭДС самоиндукции
обмотки возбуждения равна нулю. Это отвечает возбуждению
генератора, а установившийся ток возбуждения можно
определить из соотношения diвоз
еL   L
dt
 0.
• Данному условию
отвечает точка
пересечения двух
кривых:
Е  Е I воз ;
Е  I воз Rвоз ,
• которые приведены на
рис. Анализируя
зависимость Е = Е(Iвоз)
можно прийти к выводу,
что существует такой
наклон прямой
(сопротивление
обмотки возбуждения
Rвоз), когда кривые не
пересекаются, т. е.
самовозбуждения не
наблюдается.
• 12.7.3. Можно определить три
условия самовозбуждения:
• необходим остаточный магнитный поток
в статоре;
• необходимо совпадение по
направлению остаточного потока с
потоком, создаваемым машиной;
• сопротивление цепи обмотки
возбуждения должно быть меньше
критического.
12.8. Генераторы с
самовозбуждением
• 12.8.1. Генераторы параллельного
возбуждения имеют много общего с
генераторами независимого возбуждения
благодаря тому, что ток
возбуждения в незначительной мере влияет
на ток якоря и реакцию якоря.
Характеристика холостого (нерабочего)
хода и регулировочная
характеристика генератора
параллельного возбуждения не
отличаются от характеристик
генератора независимого возбуждения.
• 12.8.2. Внешняя характеристика
генератора параллельного возбуждения
более мягкая, чем генератора
независимого возбуждения
•
• Уравнение генератора
U  E  I  RЯ .
• Уменьшение U с повышением тока можно
объяснить:
• ростом потерь в цепи якоря I RЯ
;
• увеличением реакции якоря, т. е.
ослабле-нием потока и уменьшением
ЭДС;
• уменьшением тока возбуждения, что
также ослабляет поток.

• Значительное уменьшение напряжения приводит
к падению тока возбуждения. После критического
тока наступает саморазмагничивание генератора.
В режиме короткого замыкания ток возбуждения
равен нулю и поток обусловливается только
остаточным магнитным потоком. Поэтому ток
короткого замыкания незначительный:
I к . з.
Е0

.
 RЯ
• Генератор параллельного возбуждения не боится
короткого замыкания (ток короткого замыкания
меньше номинального тока).
• Поэтому
генераторы
последовательного
возбуждения в промышленности практически не
используются.
• 12.8.3. Генераторы
смешанного
возбуждения имеют две
обмотки возбуждения —
последовательную и
параллельную. От способа
соединения обмоток
зависит вид внешней
характеристики. Согласное
включение обмоток
(магнитодвижущие силы
направлены в одну
сторону) дает возможность
поддерживать постоянное
напряжение на нагрузке.
Встречное (МДС
направлены навстречу
друг другу) дает
возможность получить
характеристику,
обеспечивающую
сравнительно постоянный
12.9. Двигатели независимого
и параллельного возбуждения
• 12.9.1. Основное уравнение двигателя
U  E  I  RЯ .
• Если рассматривать особенности пуска,
то при п = 0
Е  СЭФn  0,
• т. е. пусковой ток больше номинального
U
IП 
 I Н .
 RЯ
• Обычно пусковой ток в 20...30раз
больше номинального.
•
•
•
12.9.2. Для ограничения пускового тока используют
один из трех способов пуска.
1.
Пуск
с
помощью
пускового
реостата
(дополнительное сопротивление в цепи якоря).
U
IП 
.
 RЯ  R Д
RД выбирают таким, что
I П  (2...3) I Н .
2. Пуск при сниженном напряжении, которое подается на
якорь
двигателя,
осуществляется
с
помощью
источника регулируемой ЭДС.
3. Прямой пуск (осуществляется для двигателей малой
мощности,
до 1 кВт).
• 12.9.3. Двигатели описываются
механической характеристикой
(зависимостью числа оборотов якоря от
электромагнитного момента)
n  nM .
• 12.9.4. Механические
характеристики двигателей
независимого
и параллельного возбуждения
практически одинаковы. Из
I  RЯ  U  E,
уравнения
двигателя
• используя Е M
= С
можно
RЯ  М
U =CС
,
ЭФn
ЭФп,
МФI,
CM Ф
получить
М  RЯ
U
n

.
2
• откуда следует CЭФ СЭ СМ Ф
• Это уравнение
механической
характеристики
двигателей параллельного
или независимого
возбуждения.
Характеристика линейна
относительно М.
Механическая
характеристика считается
жесткой (число оборотов
якоря незначительно зависит
от электромагнитного
момента). Двигатель имеет
устойчивые обороты
нерабочего хода
U
n0 
.
СЭФ
12.10. Двигатели
последовательного
возбуждения
• 12.10.1. Особенность двигателей
последовательного возбуждения
заключается в том, что ток якоря
является также и током возбуждения,
I ВОЗ  I т.
е.
.
• Основной магнитный поток связан с
током якоря, т. е. имеет место
пропорциональность Ф ~ М.
• Поскольку М = СМФI, М ~ Ф2, т.е. Ф ~ M . В
общем случае уравнение механической
характеристики двигателя имеет такой вид:
М  RЯ
U
n

.
2
C ЭФ С Э С М Ф
• При последовательном возбуждении уравнение
преобразуется:
n
U
C1 M
R


С2
Я
.
• Это уравнение механической
характеристики двигателя
последовательного возбуждения
(C1, С2 —
коэффициенты пропорциональности).
•
• 12.10.2. Механическая
характеристика двигателя
последовательного
возбуждения — мягкая, т. е.
число оборотов якоря в
значительной мере зависит
от электромагнитного
момента. Двигатель
последовательного
возбуждения выдерживает
большие перегрузки при
умеренном повышении тока
и устойчиво работает при
значительно сниженных
оборотах якоря. При малых
нагрузках обороты
бесконечно повышаются,
двигатель «идет в разнос».
Двигатели такого типа нужно
использовать с постоянной
нагрузкой на вал.
Разгружать такой двигатель
• 12.11.
Двигатели
смешанного
возбуждения
• 12.11.1. Особенностью двигателя смешанного возбуждения является то, что
 ФПОС  ФПАР
.
магнитный Ф поток
создается
двумя
обмотками, т. е.
I  RЯ  U  E,
• Из уравнения двигателя
E  CЭ nФПОС  ФПАР 
• где
можно
U  I ,RЯ
n
.
получить
уравнение
CЭ ФПОС  ФПАР  механической
характеристики
• Механическая характеристика
двигателя смешанного
возбуждения (компаундного
двигателя) является
промежуточной между
характеристиками двигателей
параллельного и
последовательного возбуждения.
• 12.11.2. На рис. приведены
механические характеристики
двигателей с разными
способами возбуждения.
Различают два типа
компаундных двигателей. В
двигателях
последовательнопараллельного возбуждения
преобладает
последовательное
возбуждение. Механическая
характеристика довольно
мягкая, но двигатель не боится
разгрузки, т. е. увеличение
оборотов при разгрузке
двигателя ограничено. В
двигателях параллельнопоследовательного
возбуждения преобладает
параллельное возбуждение.
Механическая характеристика
12.12. Регулирование скорости
вращения якоря
• 12.12.1. Большим преимуществом
двигателей постоянного тока
является возможность
регулирования скорости
вращения якоря в широких
пределах несколькими достаточно
простыми способами.
• 12.12.2. Регулирование скорости вращения
якоря можно рассмотреть
на примере двигателя параллельного
(независимого) возбуждения. Уравнение
механической характеристики такого двигателя
М  RЯ
имеет вид
U
n

C ЭФ С Э С М Ф
2
.
• Из этого выражения вытекает, что есть три
способа регулирования скорости вращения
якоря:
• изменением напряжения;
• изменением сопротивления цепи якоря;
• изменением магнитного потока.
• 12.12.3. Регулирование
изменением напряжения
используется обычно в
системах «генератор —
двигатель». При изменении
напряжения второй член
уравнения механической
характеристики
(характеризует наклон
прямой) не изменяется.
Поэтому все прямые будут
параллельны друг другу.
Характеристики различаются
оборотами нерабочего
(холостого) хода (первым
членом уравнения). Этим
способом можно
регулировать обороты в
очень широких пределах,
вплоть до остановки якоря.
Недостатком данного
способа является
необходимость
• 12.12.4. Регулирование
скорости вращения якоря
введением
дополнительного
сопротивления в цепь якоря
также позволяет изменять
обороты в
широких пределах (до
остановки якоря). При
повышении сопротивления
цепи
якоря увеличивается второй
член уравнения
механической
характеристики, т. е.
увеличивается наклон
прямых. Этот способ
невыгоден с энергетической
точки зрения — возникают
дополнительные потери на
• 12.12.5.
Изменяя ток
возбуждения, можно изменять
магнитный поток статора.
При уменьшении потока
увеличивается первый и
уменьшается (в квадрате) второй
член уравнения механической
характеристики. Иначе говоря,
есть зона, где при ослабленном
потоке скорость вращения будет
большей, чем скорость при
номинальном потоке. Но при
уменьшении тока возбуждения до
нуля скорость вращения будет
U
ограниченной:
n
.
CЭФОСТ
• Этот способ более эффективен.
Обычно используют различные
способы регулирования или их
комбинации в зависимости от
конкретных условий эксплуатации