Принцип действия машины постоянного тока

⇐ ПредыдущаяСтр 13 из 32Следующая ⇒

При вращении якоря (с помощью первичного двигателя) в магнитном поле полюсов с обмоткой возбуждения, подключенной к источнику напряжения, в обмотке якоря наводится ЭДС, направление которой можно определить по правилу правой руки. При этом в цепи нагрузки будет протекать ток, совпадающий по направлению с ЭДС. В данном случае машина работает в генераторном режиме.

Подключить обмотку якоря (через коллектор) к электрической сети. В якоре будет протекать ток, направление которого противоположно ранее рассмотренному. В результате взаимодействия тока якоря и магнитного поля полюсов электромагнитные силы создают вращающий момент. При этом якорь вращается в том же направлении, как и ранее, но машина перейдет в режим работы электродвигателя. В обмотке якоря электродвигателя тоже наводится ЭДС, однако она имеет направление, противоположное направлению тока якоря, и поэтому называется противоэлектродвижущей силой (противо-ЭДС). При работе машины в качестве электродвигателя противо-ЭДС имеет значение меньшее, чем напряжение на зажимах, а при работе в генераторном режиме наоборот, ЭДС машины выше, чем напряжение на ее зажимах, на падение напряжения в обмотке якоря.

Электродвижущая сила. Для генераторного режима машины постоянного тока можно написать соотношение, вытекающее из второго закона Кирхгофа .

Ток в обмотке якоря , а, следовательно, и ток нагрузки определяют по закону Ома .

ЭДС, индуцированная в обмотке якоря, согласно закону электромагнитной индукции, .

Здесь - ЭДС якоря, В; и - сопротивления нагрузки и якоря, Ом; - напряжение на зажимах машины, В; - коэффициент, зависящий от конструкции машины; - количество проводников в обмотке; 2а – число параллельных ветвей; р – число пар полюсов.

При работе в режиме электродвигателя, так как ЭДС якоря направлена в сторону, противоположную напряжению (противо-ЭДС), соотношения для ЭДС и тока якоря следующие:

; .

Следовательно, изменение тока якоря зависит только от изменений противо-ЭДС, так как напряжение сети и сопротивление цепи якоря практически неизменны. В свою очередь, изменение тока якоря вызывает изменение вращающего момента.

Электромагнитный момент. В машинах постоянного тока электромагнитный момент зависит от силы тока якоря и основного магнитного потока и определяется

где - постоянная машины, зависящая от конструктивных особенностей машины.

Основные типы машин постоянного тока

В зависимости от способа соединения цепи возбуждения с цепью якоря машины постоянного тока подразделяют на машины:

1. с независимым возбуждением (рис. 3.32, а);

2. с самовозбуждением (рис. 3.32, б, в, г).

а б в г

Рис. 3.32

В машинах независимого возбуждения основной магнитный поток создается либо постоянным магнитом, либо электромагнитом (обмоткой возбуждения), питаемым от автономного источника постоянного тока.

Машины с самовозбуждением подразделяются:

1. Машины с параллельным (шунтовым) возбуждением (рис. 3.32, б). Обмотка возбуждения включается параллельно обмотке якоря и изготавливается многовитковой из тонкого провода (обычно сопротивление обмотки возбуждения большое).

2. Машины с последовательным (сериесным) возбуждением (рис. 3. 32, в). Обмотка возбуждения включается последовательно с обмоткой якоря, при этом обмотка возбуждения рассчитывается на большой ток, имеет небольшое количество витков и изготовляется из провода большого сечения.

3. Машины со смешанным (компаундным) возбуждением (рис. 3.32, г). Обмотка возбуждения имеет две катушки – последовательную и параллельную.

Машины постоянного тока с параллельным и смешанным возбуждением используют как генераторы и электродвигатели, а машины с последовательным – только как электродвигатели.

Генераторы постоянного тока

Генераторы независимого возбуждения. Свойства и особенности работы генераторов изучают по их характеристикам – графическим зависимостям, которые определяются экспериментально или вычисляют теоретически.

Характеристика холостого хода (рис. 3.33, а) – это зависимость ЭДС якоря от тока возбуждения, когда отключена цепь нагрузки, т.е. , при . Данная характеристика одновременно является магнитной характеристикой машины и повторяет форму петли гистерезиса. - остаточная ЭДС.

Внешняя характеристика генератора – это зависимость напряжения на зажимах якоря от тока нагрузки, при постоянном токе возбуждения, т.е. при , (рис. 3.33, б). При отсутствии размагничивающего действия реакции якоря внешняя характеристика описывается уравнением , представляющим прямую линию в плоскости координатных осей .

а б в

Рис. 3.33

Внешняя характеристика позволяет определить, в каких пределах изменяется напряжение генератора при изменении нагрузки.

Регулировочная характеристика (рис. 3.33, в) - это зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при постоянных частоте вращения и напряжении на зажимах генератора, т.е. .

Регулировочная характеристика показывает, как нужно изменять ток возбуждения, чтобы поддерживать постоянным напряжение генератора при изменении нагрузки.

Генераторы независимого возбуждения применяются в схемах автоматики, в двигательно-генераторных агрегатах, когда требуется изменять не только значение, но и полярность напряжения на зажимах, а также в качестве тахогенераторов, предназначенных для дистанционного измерения частоты вращения.

Генераторы с самовозбуждением. В генераторах с самовозбуждением питание обмотки главных полюсов осуществляется напряжением самого генератора. При этом отпадает необходимость в отдельном источнике энергии. 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 какое-то время становится достаточным для возбуждения номинального магнитного потока. Такие генераторы называются генераторами с самовозбуждением.

Можно определить три условия самовозбуждения:

1. наличие в статоре остаточного магнитного потока;

2. направление остаточного магнитного потока и потока создаваемого машиной должны совпадать;

3. сопротивление цепи обмотки возбуждения должно быть меньше критического.

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 хода и регулировочная характеристика генератора параллельного возбуждения практически не отличаются от характеристик генератора независимого возбуждения (рис. 3.33, а, в).

Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения более мягкая, чем генератора независимого возбуждения. Падение напряжения на зажимах генератора объясняется тремя причинами:

1) уменьшением среднего значения магнитной индукции в машине вследствие реакции якоря; 2) увеличением падения напряжения внутри генератора, пропорциональным току нагрузки;

3) уменьшением (вследствие двух первых причин) напряжения, подводимого к цепи возбуждения.

Генераторы параллельного возбуждения находят широкое применение, особенно в качестве бортовых источников питания на подвижных объектах: кораблях, самолетах, автомобилях и т.д.

Генераторы смешанного возбуждения. Широко применяются генераторы, имеющие две обмотки возбуждения - шунтовую и сериесную. Это генераторы смешанного возбуждения или компаундные генераторы.

От способа соединения обмоток зависит вид внешней характеристики. Согласное включение обмоток (магнитодвижущие силы направлены в одну сторону) дает возможность поддерживать постоянное напряжение на нагрузке (рис. 3.34, 1).

Генераторы со встречным включением обмоток (МДС направлены навстречу друг другу) имеют крутопадающую внешнюю характеристику (рис. 3.34, 2). Такие машины используют в качестве сварочных генераторов, где требуется относительное постоянство сварочного тока при изменении напряжения в широких пределах.

Рис. 3.34

Двигатели постоянного тока

Двигатели независимого и параллельного возбуждения. В конструктивном отношении электродвигатели ничем не отличаются от генераторов. При пуске электродвигателя необходимо ограничить значение пускового тока (обычно пусковой ток в 20…30 раз больше номинального), так как при неподвижном якоре противо-ЭДС .

Для ограничения пускового тока используется один из трех способов пуска.

1. Реостатный пуск (введение дополнительного сопротивления в цепь якоря).

2. Пуск при сниженном напряжении, которое подается на якорь двигателя.

3. Прямой пуск (для двигателей малой мощности, до 1 кВт).

Зависимость установившейся частоты вращения от момента двигателя при постоянном напряжении питания цепей якоря и возбуждения называют механической характеристикой. Уравнение механической характеристики имеет вид

Двигатели независимого и параллельного возбуждения имеют жесткую механическую характеристику (рис. 3.35, а)

а б

Рис. 3.3

Зависимости частоты вращения , тока якоря , вращающего момента и коэффициента полезного действия от полезной мощности на валу двигателя при постоянном напряжении цепей якоря и возбуждения называют рабочими характеристиками (рис. 3.35, б). Механические и рабочие характеристики двигателя независимого возбуждения аналогичны этим характеристикам двигателя параллельного возбуждения.

Двигатели постоянного тока последовательного и смешанного возбуждения. Особенность двигателей последовательного возбуждения заключается в том, что ток якоря является также и током возбуждения ( ), а вращающий момент пропорционален квадрату тока.

Механическая характеристика двигателей последовательного возбуждения - мягкая, то есть число оборотов якоря в значительной мере зависит от электромагнитного момента (рис. 3.36, а). Причем для данного двигателя опасен режим холостого хода, так как при уменьшении момента на валу до нуля частота вращения неограниченно увеличивается и двигатель идет «вразнос». Двигатели такого типа нужно использовать с постоянной нагрузкой на вал, разгружать такой двигатель нельзя. Преимуществом такого двигателя является большой пусковой момент, это очень важно для электропривода на транспорте.

а б

Рис. 3.36

Двигатели смешанного возбуждения лишены недостатков двигателя последовательного возбуждения. Характеристики этих двигателей являются промежуточными между характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения. При согласном включении последовательной и параллельной обмоток возбуждения двигатель смешанного возбуждения имеет больший пусковой момент по сравнению с шунтовым двигателем (рис. 3.36, б характеристика 1). При встречном включении обмоток возбуждения двигатель имеет жесткую механическую характеристику (рис. 3.36, б характеристика 2). С увеличением нагрузки магнитный поток сериесной обмотки увеличивается и, вычитаясь из потока шунтовой обмотки, уменьшает общий поток возбуждения. При этом частота вращения двигателя не только не уменьшается, а может даже увеличиться. И в том и в другом случае наличие магнитного потока шунтовой обмотки исключает режим «разноса» двигателя при снятии нагрузки.

Двигатели смешанного возбуждения применяют в качестве тяговых и крановых двигателей, а также для привода прокатных станов, компрессоров, насосов.

Регулирование скорости вращения якоря. Преимуществом двигателей постоянного тока, по сравнению с двигателями переменного тока, является плавное и экономичное регулирование скорости вращения якоря в широких пределах. Так как скорость вращения якоря двигателя пропорциональна , то существует два способа изменения частоты вращения:

1) изменение напряжения , подведенного к якорю двигателя; 2) изменение магнитного потока возбуждения (тока возбуждения ). Второй способ предпочтительнее, так как он связан с меньшими потерями энергии.

Во многих случаях возникает необходимость менять направление вращения якоря электродвигателя. Изменение направления вращения называют реверсированием. Для реверсирования двигателя постоянного тока следует изменить направление магнитного потока возбуждения или тока якоря с помощью переключателей в цепи якоря или в цепи возбуждения.

⇐ Предыдущая 8 9 10 11 121314 15 16 17 Следующая ⇒