Двигатели постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Устройство и принцип действия двигателей постоянного тока

2. Уравнение моментов ДПТ

3. Механические характеристики ДПТ параллельного возбуждения

4. Регулирование частоты вращения двигателя параллельного возбуждения

5. Пуск, реверс ДПТ

Список литературы

Введение

Электрические машины постоянного тока широко применяются в различных отраслях промышленности.

Значительное распространение электродвигателей постоянного тока объясняется их ценными качествами: высокими пусковым, тормозным и перегрузочным моментами, сравнительно высоким быстродействием, что важно при реверсировании и торможении, возможностью широкого и плавного регулирования частоты вращения.

Электродвигатели постоянного тока используют для регулируемых приводов, например, для приводов различных станков и механизмов. Мощности этих электродвигателей достигают сотен киловатт. В связи с автоматизацией управления производственными процессами и механизмами расширяется область применения маломощных двигателей постоянного тока общего применения мощностью от единиц до сотен ватт.

В зависимости от схемы питания, обмотки возбуждения машины постоян-ного тока разделяются на несколько типов (с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением).

Ежегодный выпуск машин постоянного тока в РФ значительно меньше выпуска машин переменного тока, что обусловлено дороговизной двигателей постоянного тока.

Вначале создавались машины постоянного тока. В дальнейшем они в значительной степени были вытеснены машинами переменного тока. Благодаря возможности плавного и экономичного регулирования скорости вращения двигатели постоянного тока сохраняют свое доминирующее значение на транспорте, для привода металлургических станков, в крановых и подъемно-транспортных механизмах.

В системах автоматики машины постоянного тока широко используются в качестве исполнительных двигателей, двигателей для привода лентопротяжных самозаписывающих механизмов, в качестве тахогенераторов и электромашинных усилителей.

1. Устройство и принцип действия двигателей постоянного тока

Устройство машин постоянного тока (генераторов и двигателей) в упрощенном виде показано на рис.1. К стальному корпусу 1 статора машины прикреплены главные 2 и дополнительные 4 полюса. На главных полюсах расположена обмотка возбуждения 3, на дополнительных - обмотка дополнительных полюсов 5. Обмотка возбуждения создает магнитный поток Ф машины.

Рис. 1

На валу 10 двигателя закреплен цилиндрический магнитопровод 6, в пазах которого расположена обмотка якоря 7. Секции обмотки якоря присоединены к коллектору 9. К нему же прижимаются пружинами неподвижные щетки 8. Закрепленный на валу двигателя коллектор состоит из ряда изолированных от него и друг от друга медных пластин. С помощью коллектора, и щеток осуществляется соединение обмотки якоря с внешней электрической цепью. У двигателей они, кроме того, служат для преобразования постоянного по направлению тока внешней цепи в изменяющийся по направлению ток в проводниках обмотки якоря.

Дополнительные полюса с расположенной на них обмоткой уменьшают искрение между щетками и коллектором машины. Обмотку дополнительных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря и на электрических схемах часто не изображают.

Для уменьшения потерь мощности магнитопровод якоря выполнен из отдельных стальных листов. Все обмотки изготовлены из изолированного провода. Кроме двигателей, имеющих два главных полюса, существуют машины постоянного тока с четырьмя и большим количеством главных полюсов. При этом соответственно увеличивается количество дополнительных полюсов и комплектов щеток.

Если двигатель включен в сеть постоянного напряжения, то при взаимодействии магнитного поля, созданного обмоткой возбуждения, и тока в проводниках якоря возникает вращающий момент, действующий на якорь:

(1)

(2)

где Км - коэффициент, зависящий от конструктивных параметров машины; Ф - магнитный поток одного полюса; Iя - ток якоря.

Если момент двигателя при n = 0 превышает тормозящий момент, которым нагружен двигатель, то якорь начнет вращаться. При увеличении частоты вращения n возрастает индуцируемая в якоре ЭДС. Это приводит к уменьшению тока якоря:

(3)

где rя - сопротивление якоря.

Следствием уменьшения тока Iя является уменьшение момента двигателя. При равенстве моментов двигателя и нагрузки частота вращения перестает изменяться.

Направление момента двигателя и, следовательно, направление вращения якоря зависят от направления магнитного потока и тока в проводниках обмотки якоря. Чтобы изменить направление вращения двигателя, следует изменить направление тока якоря либо тока возбуждения.

2. Уравнение моментов ДПТ

ДПТ возникает со следующим моментами:

Электромагнитный момент (Мэм) - возникает за счет тока якоря (Iа) и магнитного потока (Фо). Положительный момент, способствует вращению машины.

Мо - момент холостого хода, возникает за счет силы трения. Отрицательный, но незначительный, за счет сторонних воздействий.

М2 - полезный момент. Идет на преодоление нагрузки для выполнения полезного действия. Отрицательный - тормозной двигатель.

Динамический момент (Мд) - возникает в результате динамики инерционности машины.

,

где J - момент инерции, w - угловая частота.

Изменение скорости во времени

Мэм=Мо+М2+Мд

Мо+М2=Мст - статический (нагрузочный) момент.

Мэм=Мст+Мд

Мэм=Мст.

электрический ток генератор двигатель

3. Механические характеристики ДПТ параллельного возбуждения

Характерной особенностью этого двигателя является то, что ток возбуждения Iв не зависит от нагрузки (тока якоря).

Реостат в цепи возбуждения rрг служит для регулирования тока возбуждения Iв, а следовательно магнитного потока главных полюсов.

Эксплуатационные свойства двигателя определяются его рабочими характеристиками, которые снимают при U=const и Iв=const.

1) Скоростная характеристика - это зависимость частоты вращения от полезной мощности n=f(P2).

Чтобы понять, как будет меняться частота вращения ДПТ параллельного возбуждения при увеличении на него нагрузки, обратимся к формуле частоты вращения

n=U-Ia*Ra/Ce*Ф

из которой видно, что при неизменном напряжении U на частоту вращения влияют два фактора:

1. при увеличении нагрузки растет ток якоря, следовательно, растет падение напряжения в цепи якоря IаRa и числитель уменьшается

2. из-за размагничивающего влияния реакции якоря уменьшается основной магнитный поток Ф.

Обычно ослабление потока Ф невелико и увеличение IаRa влияет на частоту вращения сильнее. В итоге при увеличении нагрузки частота вращения уменьшается. Жесткость скоростной характеристики оценивается номинальным изменением частоты вращения Дnном.

Обычно для ДПТ параллельного возбуждения Дnном= 2 ч 8%, поэтому скоростную характеристику этого двигателя называют жесткой.

2) Зависимость полезного момента М2 от нагрузки М2=f(P2) Эта зависимость установлена формулой:

М2=9,56 Р2/n.

При n=const график М2=f(P2) имел бы вид прямой, но при увеличении нагрузки частота вращения двигателя снижается и график приобретает криволинейный вид.

3) Зависимость электромагнитного момента М от нагрузки М=f(P2)

При n=const вращающий момент двигателя М=М0+М2. Так как рабочие характеристики двигателя снимают при условии Iв=const , то момент х.х. М0=const. Поэтому график зависимости М=f(P2) проходит параллельно кривой М2=f(P2).

Механическая характеристика

Это зависимость частоты вращения от электромагнитного момента n=f(М).

Если пренебречь реакцией якоря, то естественная механическая характеристика ДПТ параллельного возбуждения будет иметь вид

Вид механической характеристики так же зависит от величины основного магнитного потока Ф.

Так при уменьшении Ф увеличивается частота вращения х.х. n0 и одновременно увеличивается Дn. Это приводит к резкому уменьшению жесткости характеристики. При изменении напряжения подаваемого в обмотку якоря меняется только n0, а Дn. остается постоянным, так как не зависит от Н.

4. Регулирование частоты вращения двигателя параллельного возбуждения

Способы регулирования частоты вращения оцениваются следующими показателями:

- плавностью регулирования;

- диапазоном регулирования, определяемым отношением наибольшей частоты вращения к наименьшей;

- экономичностью регулирования, определяемой стоимостью регулировочной аппаратуры и потерями энергии в ней.

регулировать частоту вращения двигателя можно 4-мя способами:

- изменением сопротивления цепи якоря Rа;

- изменением величины магнитного потока Ф;

- изменением напряжения U подаваемого на двигатель:

- импульсное регулирование

Рассмотрим подробнее эти способы.

а) Изменение сопротивления цепи якоря

Для этого последовательно в цепь якоря включают регулировочный реостат, рассчитанный на длительное протекание по нему тока, в отличие от пускового реостата.

При увеличении сопротивления цепи якоря возрастает Дn, что ведет к уменьшению частоты вращения, при этом жесткость механической характеристики уменьшается. Этот способ обеспечивает плавное регулирование в широком диапазоне, но только в сторону уменьшения от номинальной частоты. Но он неэкономичен из-за значительных потерь электроэнергии в регулировочном реостате, которые интенсивно растут с увеличением мощности двигателя.

б) Изменение основного магнитного потока

Для изменения магнитного потока Ф в цепь обмотки возбуждения включают регулировочный реостат rрг. При увеличении сопротивления реостата уменьшается ток возбуждения Iв и, следовательно, уменьшается магнитный поток Ф, а частота вращения увеличивается и наоборот. При изменении магнитного потока Ф меняется жесткость механической характеристики, так как меняются и n0 и Дn. Рассмотренный способ регулирования частоты вращения прост и экономичен, так как в ДПТ параллельного возбуждения ток Iв=(0,01 ч 0,07)Iа ном, а поэтому потери в регулировочном реостате невелики.

Но диапазон регулирования невелик. Объясняется это тем, что нижний предел частоты обусловлен насыщением машины, ограничивающим значение магнитного потока Ф, а верхний предел частоты - опасностью «разноса» двигателя и усилением влияния реакции якоря, искажающее действие которого при ослаблении основного магнитного потока Ф усиливается и ведет к искрению и круговому огню на коллекторе.

в) Изменение напряжения в цепи якоря

Этот способ применяется только при Iв=const, т.е. при раздельном питании цепей обмотки якоря и обмотки возбуждения. При изменении напряжения U меняется только частота вращения х.х. n0, а жесткость механической характеристики остается постоянной, так как Дn от напряжения не зависит.

Способ обеспечивает плавное экономичное регулирование в широком диапазоне. Наибольшая частота вращения ограничивается условиями коммутации (при ^U? ^Iа), а наименьшая - условиями охлаждения двигателя.

Еще одним достоинством этого способа является то, что он допускает без реостатный пуск двигателя при пониженном напряжении.

г) Импульсное регулирование

При работе двигателя от импульсного прерывателя возможны его рекуперативное и динамическое торможения. Наиболее интересная особенность рекуперативного торможения при импульсном регулировании -- возможность осуществления его при ЭДС двигателя, меньшей напряжения сети. В связи с этим рекуперативное торможение может осуществляться почти до полной остановки

5. Пуск, реверс ДПТ

Пуск двигателя постоянного тока прямым включением его на напряжение сети допустим только для двигателей небольшой мощности. При этом пик тока в начале пуска может быть порядка 4 -- 6-кратного номинального. Прямой пуск двигателей постоянного тока значительной мощности совершенно недопустим, потому что начальный пик тока здесь будет равен 15 -- 50-кратному номинальному. Поэтому пуск двигателей средних и больших мощностей производят при помощи пускового реостата, который ограничивает ток при пуске до допустимых по коммутации и механической прочности значений.

Реверс ДПТ

Реверсирование -- изменение направления вращения двигателя -- производится путем изменения направления действия вращающего момента. Для этого требуется изменить направление магнитного потока двигателя постоянного тока, т. е. переключить обмотку возбуждения или якорь, при этом в якоре будет протекать ток другого направления. При переключении и цепи возбуждения, и якоря направление вращения останется прежним.

Обмотка возбуждения двигателя параллельного возбуждения имеет значительный запас энергии: постоянная времени обмотки составляет секунды для двигателей больших мощностей. Значительно меньше постоянная времени обмотки якоря. Поэтому для того чтобы реверсирование проходило возможно быстрее, производится переключение якоря. Только там, где не требуется быстродействия, можно выполнять реверсирование путем переключения цепи возбуждения

Список литературы

1. Вопросы к Госуд. Экзамену по «Технические средства автоматизации и управления».

2. Прохоров С.Г., Хуснутдинов Р.А Учебное пособие «Электрические машины» 2002 год.

3. Кацман М.М. «Электрические машины» 2000 год.

4. М.М Кацман, Ф. М. Юферов « Электрические машины автоматических систем» 1979 год

Размещено на Allbest.ru