Коллекторные машины

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Основные понятия

электромагнитный ток двигатель обмотка

Коллекторные машины обладают свойством обратимости, т. е. они могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Поэтому если машину постоянного тока подключить к источнику энергии постоянного тока, то в обмотке возбуждения и в обмотке якоря машины появятся токи. Взаимодействие тока якоря с полем возбуждения создает на якоре электромагнитный момент М, который является не тормозящим, как это имело место в генераторе, а вращающим.

Под действием электромагнитного момента якоря машина начнет вращаться, т. е. машина будет работать в режиме двигателя, потребляя из сети электрическую энергию и преобразуя ее в механическую. В процессе работы двигателя его якорь вращается в магнитном поле. В обмотке якоря индуцируется ЭДС , направление которой можно определить по правилу «правой руки». По своей природе она не отличается от ЭДС, наводимой в обмотке якоря генератора. В двигателе же ЭДС направлена против тока , и поэтому ее называют противоэлектродвижущей силой (противо-ЭДС) якоря (рис. 1).

Рис. 1. Направление противо-ЭДС в обмотке якоря двигателя

Для двигателя, работающего с постоянной частотой вращения,

. (1)

Из (1) следует, что подведенное к двигателю напряжение уравновешивается противо-ЭДС обмотки якоря и падением напряжения в цепи якоря. На основании (1) ток якоря

. (2)

Умножив обе части уравнения (1) на ток якоря , получим уравнение мощности для цепи якоря:

, (3)

где -- мощность в цепи обмотки якоря; -- мощность электрических потерь в цепи якоря.

Для выяснения сущности выражения проделаем следующее преобразование:

,

или

.

тогда

, (4)

где -- угловая частота вращения якоря; -- электромагнитная мощность двигателя.

Следовательно, выражение представляет собой электромагнитную мощность двигателя.

Преобразовав выражение (3) с учетом (4), получим

.

Анализ этого уравнения показывает, что с увеличением нагрузки на вал двигателя, т. е. с увеличением электромагнитного момента М, возрастает мощность в цепи обмотки якоря , т. е. мощность на входе двигателя. Но так как напряжение, подводимое к двигателю, поддерживается неизменным , то увеличение нагрузки двигателя сопровождается ростом тока в обмотке якоря .

В зависимости от способа возбуждения двигатели постоянного тока, так же как и генераторы, разделяют на двигатели с возбуждением от постоянных магнитов (магнитоэлектрические) и с электромагнитным возбуждением. Последние в соответствии со схемой включения обмотки возбуждения относительно обмотки якоря подразделяют на двигатели параллельного (шунтовые), последовательного (сериесные) и смешанного (компаундные) возбуждения.

В соответствии с формулой ЭДС частота вращения двигателя (об/мин)

.

Подставив значение из (1), получим (об/мин)

, (5)

т. е. частота вращения двигателя прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку возбуждения. Физически это объясняется тем, что повышение напряжения U или уменьшение потока Ф вызывает увеличение разности ; это, в свою очередь, ведет к росту тока . Вследствие этого возросший ток повышает вращающий момент, и если при этом нагрузочный момент остается неизменным, то частота вращения двигателя увеличивается.

Регулировать частоту вращения двигателя можно изменением либо напряжения U, подводимого к двигателю, либо основного магнитного потока Ф, либо электрического сопротивления в цепи якоря .

Направление вращения якоря зависит от направлений магнитного потока возбуждения Ф и тока в обмотке якоря. Поэтому, изменив направление какой-либо из указанных величин, можно изменить направление вращения якоря. Следует иметь в виду, что переключение общих зажимов схемы у рубильника не дает изменения направления вращения якоря, так как при этом одновременно изменяется направление тока и в обмотке якоря, и в обмотке возбуждения.

2. Пуск двигателя

Ток якоря двигателя определяется формулой (2). Если принять U и неизменными, то ток зависит от противо-ЭДС . Наибольшего значения ток достигает при пуске двигателя в ход. В начальный момент пуска якорь двигателя неподвижен и в его обмотке не индуцируется ЭДС . Поэтому при непосредственном подключении двигателя к сети в обмотке его якоря возникает пусковой ток

. (6)

Обычно сопротивление невелико, поэтому значение пускового тока достигает недопустимо больших значений, в 10--20 раз превышающих номинальный ток двигателя.

Такой большой пусковой ток весьма опасен для двигателя. Во-первых, он может вызвать в машине круговой огонь, а во-вторых, при таком токе в двигателе развивается чрезмерно большой пусковой момент, который оказывает ударное действие на вращающиеся части двигателя и может механически их разрушить. И наконец, этот ток вызывает резкое падение напряжения в сети, что неблагоприятно отражается на работе других потребителей, включенных в эту сеть. Поэтому пуск двигателя непосредственным подключением в сеть (безреостатный пуск) обычно применяют для двигателей мощностью не более 0,7--1,0 кВт. В этих двигателях благодаря повышенному сопротивлению обмотки якоря и небольшим вращающимся массам значение пускового тока лишь в 3--5 раз превышает номинальный, что не представляет опасности для двигателя. Что же касается двигателей большей мощности, то при их пуске для ограничения пускового тока используют пусковые реостаты (ПР), включаемые последовательно в цепь якоря (реостатный пуск).

Перед пуском двигателя необходимо рычаг Р реостата поставить на холостой контакт О (рис. 2). Затем включают рубильник, переводят рычаг на первый промежуточный контакт 1 и цепь якоря двигателя оказывается подключенной к сети через наибольшее сопротивление реостата .



Рис. 2. Схема включения пускового реостата

Одновременно через рычаг Р и шину Ш к сети подключается обмотка возбуждения, ток в которой в течение всего периода пуска не зависит от положения рычага Р, так как сопротивление шины по сравнению с сопротивлением обмотки возбуждения пренебрежимо мало.

Пусковой ток якоря при полном сопротивлении пускового реостата

. (29.7)

С появлением тока в цепи якоря возникает пусковой момент , под действием которого начинается вращение якоря. По мере нарастания частоты вращения увеличивается противо-ЭДС , что ведет к уменьшению пускового тока и пускового момента.

По мере разгона якоря двигателя рычаг пускового реостата переключают в положения 2, 3 и т. д. В положении 5 рычага реостата пуск двигателя заканчивается . Сопротивление пускового реостата выбирают обычно таким, чтобы наибольший пусковой ток превышал номинальный не более чем в 2--3 раза.

Так как вращающий момент двигателя М прямо пропорционален потоку Ф, то для облегчения пуска двигателя параллельного и смешанного возбуждения сопротивление реостата в цепи возбуждения следует полностью вывести . Поток возбуждения Ф в этом случае получает наибольшее значение и двигатель развивает необходимый вращающий момент при меньшем токе якоря.

Для пуска двигателей большей мощности применять пусковые реостаты нецелесообразно, так как это вызвало бы значительные потери энергии. Кроме того, пусковые реостаты были бы громоздкими. Поэтому в двигателях большой мощности применяют безреостатный пуск двигателя путем понижения напряжения. Примерами этого являются пуск тяговых двигателей электровоза переключением их с последовательного соединения при пуске на параллельное при нормальной работе или пуск двигателя в схеме «генератор--двигатель».

3. Двигатель параллельного возбуждения

Схема включения в сеть двигателя параллельного возбуждения показана на рис. 3, а. Характерной особенностью этого двигателя является то, что ток в обмотке возбуждения (ОВ) не зависит от тока нагрузки (тока якоря). Реостат в цепи возбуждения служит для регулирования тока в обмотке возбуждения и магнитного потока главных полюсов.

Эксплуатационные свойства двигателя определяются его рабочими характеристиками, под которыми понимают зависимость частоты вращения n, тока I, полезного момента M₂, вращающего момента M от мощности на валу двигателя Р₂ при и (рис. 3, 6).

Для анализа зависимости и , которую обычно называют скоростной характеристикой, обратимся к формуле (5), из которой видно, что при неизменном напряжении U на частоту вращения влияют два фактора: падение напряжения в цепи якоря и поток возбуждения Ф. При увеличении нагрузки уменьшается числитель , при этом вследствие реакции якоря уменьшается и знаменатель Ф. Обычно ослабление потока, вызванное реакцией якоря, невелико и первый фактор влияет на частоту вращения сильнее, чем второй. В итоге частота вращения двигателя с ростом нагрузки Р₂ уменьшается, а график приобретает падающий вид с небольшой выпуклостью, обращенной к оси абсцисс. Если же реакция якоря в двигателе сопровождается более значительным ослаблением потока Ф, то частота вращения с увеличением нагрузки будет возрастать, как это показано штриховой кривой на рис. 3, б. Однако такая зависимость является нежелательной, так как она, как правило, не удовлетворяет условию устойчивой работы двигателя: с ростом нагрузки на двигатель возрастает частота вращения, что ведет к дополнительному росту нагрузки и т. д., т. е. частота вращения n двигателя неограниченно увеличивается и двигатель идет «в разнос». Чтобы обеспечить характеристике частоты вращения форму падающей кривой, в некоторых двигателях параллельного возбуждения применяют легкую (с небольшим числом витков) последовательную обмотку возбуждения, которую называют стабилизирующей обмоткой. При включении этой обмотки согласованно с параллельной обмоткой возбуждения ее МДС компенсирует размагничивающее действие реакции якоря так, что поток Ф во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменным.

Рис. 3. Схема двигателя параллельного возбуждения () и его рабочие характеристики ()

Изменение частоты вращения двигателя при переходе от номинальной нагрузки к х.х., выраженное в процентах, называют номинальным изменением частоты вращения:

, (8)

где -- частота вращения двигателя в режиме х.х.

Обычно для двигателей параллельного возбуждения , поэтому характеристику частоты вращения двигателя параллельного возбуждения называют жесткой.

Зависимость полезного момента от нагрузки установлена формулой . При график имел бы вид прямой. Однако с увеличением нагрузки частота вращения двигателя снижается, и поэтому зависимость криволинейна.

При вращающий момент двигателя . Так как рабочие характеристики двигателя строят при условии , что обеспечивает постоянство магнитных потерь в двигателе, то момент х.х. . Поэтому график зависимости проходит параллельно кривой Если принять поток , то график является в то же время выражением зависимости ,так как .

Для получения аналитического выражения механической характеристики преобразуем выражение (5):

; (9)

, (10)

получим

, (11)

где -- частота вращения в режиме х.х.; -- изменение частоты вращения, вызванное изменением нагрузки на валу двигателя.

Рис. 4. Механические характеристики двигателя параллельного возбуждения: а -- при введении в цепь якоря добавочного сопротивления; б -- при изменении основного магнитного потока; в -- при изменении напряжения в цепи якоря

Если пренебречь реакцией якоря, то (так как ) можно принять . Тогда механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения представляет собой прямую линию, несколько наклоненную к оси абсцисс (рис. 4, а). Угол наклона механической характеристики тем больше, чем больше значение сопротивления, включенного в цепь якоря. Механическую характеристику двигателя при отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря называют естественной (прямая 1). Механические характеристики двигателя, полученные при введении дополнительного сопротивления в цепь якоря, называют искусственными (прямые 2 и 3).

Вид механической характеристики зависит также и от значения основного магнитного потока Ф. Так, при уменьшении Ф увеличивается частота вращения х.х. и одновременно увеличивается , т. е. увеличиваются оба слагаемых уравнения (11). Это приводит к резкому увеличению наклона механической характеристики, т. е. к уменьшению ее жесткости (рис. 4, б).

При изменении напряжения на якоре U меняется частота вращения , а остается неизменной. В итоге жесткость механической характеристики (если пренебречь влиянием реакции якоря) не меняется (рис. 4, в), т. е. характеристики смещаются по высоте, оставаясь параллельными друг другу.

4. Регулирование частоты вращения двигателей параллельного возбуждения

Способы регулирования частоты вращения двигателей оцениваются следующими показателями: плавностью регулирования; диапазоном регулирования, определяемым отношением наибольшей частоты вращения к наименьшей; экономичностью регулирования, определяемой стоимостью регулирующей аппаратуры и потерями электроэнергии в ней.

Из (5) следует, что регулировать частоту вращения двигателя параллельного возбуждения можно изменением сопротивления в цепи якоря, изменением основного магнитного потока Ф, изменением напряжения в цепи якоря.

Введение дополнительного сопротивления в цепь якоря. Дополнительное сопротивление (реостат ) включают в цепь якоря аналогично пусковому реостату (ПР).

Однако в отличие от последнего оно должно быть рассчитано на продолжительное протекание тока.

При включении сопротивления в цепь якоря выражение частоты (5) принимает вид

, (12)

где -- частота вращения в режиме х.х.;

-- изменение частоты вращения, вызванное падением напряжения в цепи якоря.

С увеличением возрастает , что ведет к уменьшению частоты вращения. Зависимость иллюстрируется также и механическими характеристиками двигателя параллельного возбуждения (рис. 4, а): с повышением увеличивается наклон механических характеристик, а частота вращения при заданной нагрузке на валу уменьшается. Этот способ обеспечивает плавное регулирование частоты вращения в широком диапазоне (только в сторону уменьшения частоты от номинальной), однако он неэкономичен из-за значительных потерь электроэнергии в регулировочном реостате , которые интенсивно растут с увеличением мощности двигателя.

Изменение основного магнитного потока. Этот способ регулирования в двигателе параллельного возбуждения реализуется посредством реостата в цепи обмотки возбуждения (см. рис. 3, а). Так, при уменьшении сопротивления реостата возрастает магнитный поток обмотки возбуждения, что сопровождается понижением частоты вращения. При увеличении частота вращения растет. Зависимость частоты вращения от тока возбуждения выражается регулировочной характеристикой двигателя при и .

Из выражения (5) следует, что с уменьшением магнитного потока Ф частота вращения увеличивается по гиперболическому закону (рис. 5,). Но одновременно уменьшение Ф ведет к росту тока якоря . При потоке ток якоря достигает значения , т. е. падение напряжения в цепи якоря достигает значения, равного половине напряжения, подведенного к якорю . В этих условиях частота вращения двигателя достигает максимума . При дальнейшем уменьшении потока частота вращения двигателя начинает убывать, так как из-за интенсивного роста тока второе слагаемое выражения (29.9) нарастает быстрее первого.

При небольшом нагрузочном моменте на валу двигателя максимальная частота вращения во много раз превосходит номинальную частоту вращения двигателя и является недопустимой по условиям механической прочности двигателя, т. е. может привести к его «разносу». Учитывая это, при выборе реостата необходимо следить за тем, чтобы при полностью введенном его сопротивлении частота вращения двигателя не превысила допустимого значения.

Например, для двигателей серии 2П допускается превышение частоты вращения над номинальной не более чем в 2--3 раза. Необходимо также следить за надежностью электрических соединений в цепи обмотки возбуждения двигателя, так как при разрыве этой цепи магнитный поток уменьшается до значения потока остаточного магнетизма , при котором частота вращения может достигнуть опасного значения.

Вид регулировочных характеристик зависит от значения нагрузочного момента на валу двигателя: с ростом максимальная частота вращения уменьшается (рис. 5, б).



Рис. 5. Регулировочные характеристики двигателя параллельного возбуждения

Недостаток рассмотренного способа регулирования частоты вращения состоит в том, что при изменении магнитного потока Ф меняется угол наклона механической характеристики двигателя.

Рассмотренный способ регулирования частоты вращения прост и экономичен, так как в двигателях параллельного возбуждения ток , а поэтому потери в регулировочном реостате невелики.

Однако диапазон регулирования обычно составляет . Объясняется это тем, что нижний предел частоты вращения 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 основною магнитного потока Ф усиливается и ведет к искрению на коллекторе или же к появлению кругового огня.

Изменение напряжения в цепи якоря. Регулирование частоты вращения двигателя изменением питающего напряжения применяется лишь при , т. е. при раздельном питании цепей обмотки якоря и обмотки возбуждения при независимом возбуждении.

Частота вращения в режиме х.х. пропорциональна напряжению, а от напряжения не зависит [см. (29.1 1)], поэтому механические характеристики двигателя при изменении напряжения не меняют угла наклона к оси абсцисс, а смещаются по высоте, оставаясь параллельными друг другу (см. рис. 4, в). Для осуществления этого способа регулирования необходимо цепь якоря двигателя подключить к источнику питания с регулируемым напряжением. Для управления двигателями малой и средней мощности в качестве такого источника можно применить регулируемый выпрямитель, в котором напряжение постоянного тока меняется регулировочным автотрансформатором (АТ), включенным на входе выпрямителя (рис. 6,).

Для управления двигателями большой мощности целесообразно применять генератор постоянного тока независимого возбуждения; привод осуществляется посредством приводного двигателя (ПД), в качестве которого обычно используют трехфазный двигатель переменного тока. Для питания постоянным током цепей возбуждения генератора Г и двигателя Д используется возбудитель В -- генератор постоянного тока, напряжение на выходе которого поддерживается неизменным. Описанная схема управления двигателем постоянного тока (рис. 6, б) известна под названием системы «генератор -- двигатель» (Г--Д).

Рис. 6. Схемы включения двигателей постоянного тока при регулировании частоты вращения изменением напряжения в цепи якоря

Изменение напряжения в цепи якоря позволяет регулировать частоту вращения двигателя вниз от номинальной, так как напряжение свыше номинального недопустимо. При необходимости регулировать частоту вращения вверх от номинальной можно воспользоваться изменением тока возбуждения двигателя.

Изменение направления вращения (реверс) двигателя, работающего по системе Г--Д, осуществляется изменением направления тока в цепи возбуждения генератора Г переключателем П, т. е. переменой полярности напряжения на его зажимах. Если двигатель постоянного тока работает в условиях резко переменной нагрузки, то для смягчения колебаний мощности, потребляемой ПД из трехфазной сети, на вал ПД помещают маховик М, который запасает энергию в период уменьшения нагрузки на двигатель Д и отдает ее в период интенсивной нагрузки двигателя.

Регулирование частоты вращения изменением напряжения в цепи якоря обеспечивает плавное экономичное регулирование в широком диапазоне . Наибольшая частота вращения здесь ограничивается условиями коммутации, а наименьшая -- условиями охлаждения двигателя.

Еще одним достоинством рассматриваемого способа регулирования является то, что он допускает безреостатный пуск двигателя при пониженном напряжении.

Импульсное регулирование частоты вращения. Сущность этого способа регулирования иллюстрируется схемой, изображенной на рис. 7, а. Цепь обмотки якоря двигателя параллельного (независимого) возбуждения периодически прерывается ключом К. Во время замыкания цепи якоря на время к обмотке якоря подводится напряжение и ток в ней достигает значения . Затем ключом К цепь якоря размыкают и ток в ней убывает, достигая к моменту следующего замыкания цепи значения (при размыкании ключа К ток в обмотке якоря замыкается через диод VD). При следующем замыкании ключа К ток достигает значения и т. д. Таким образом, к обмотке якоря подводится некоторое среднее напряжение

, (29.13)

где Т - отрезок времени между двумя следующими друг за другом импульсами напряжения (рис. 7, б); -- коэффициент управления.

При этом в обмотке якоря проходит ток, среднее значение которого

.

При импульсном регулировании частота вращения двигателя

. (14)

Таким образом, импульсное регулирование частоты вращения аналогично регулированию изменением подводимого к цепи якоря напряжения. С целью уменьшения пульсаций тока в цепи якоря включена катушка индуктивности (дроссель) , а частота подачи импульсов равна 200--400 Гц.

На рис. 7, в представлена одна из возможных схем импульсного регулирования, где в качестве ключа применен управляемый диод -- тиристор VS. Открывается тиристор подачей кратковременного импульса от генератора импульсов (ГИ) на управляющий электрод (УЭ) тиристора. Цепь , шунтирующая тиристор, служит для запирания последнего в период между двумя управляющими импульсами. Происходит это следующим образом: при открывании тиристора конденсатор С перезаряжается через контур и создает на силовых электродах тиристора напряжение, обратное напряжению сети, которое прекращает протекание тока через тиристор. Параметрами цепи определяется время (с) открытого состояния тиристора: . Здесь выражается в генри (Гн); С -- в фарадах (Ф).

Рис. 7. Импульсное регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока

Значение среднего напряжения регулируется изменением частоты следования управляющих импульсов от генератора импульсов на тиристор VS.

Жесткие механические характеристики и возможность плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне определили области применения двигателей параллельного возбуждения в станочных приводах, вентиляторах, а также во многих других случаях регулируемого электропривода, где требуется устойчивая работа при колебаниях нагрузки.

5. Режимы работы машины постоянного тока

В двигателях параллельного возбуждения при неизменном токе в обмотке возбуждения магнитный поток изменяется при нагрузке весьма незначительно, поэтому с некоторым приближением можно принять . В этом случае электромагнитный момент пропорционален току в цепи якоря и механическая характеристика может быть представлена зависимостью (рис. 8). Если эту характеристику продолжить в обе стороны за пределы осей координат (прямая 1), то можно показать, что электрическая машина в зависимости от величины и знака внешнего момента, действующего на ее вал со стороны связанного с ним механизма, может работать в трех режимах: двигательном, тормозном и генераторном.

При работе двигателя без нагрузки ток в цепи якоря небольшой. При этом частота вращения (точка А). Затем с появлением на валу двигателя нагрузочного момента, противодействующего вращающему, ток в цепи якоря возрастает, а частота вращения уменьшается. Если увеличить противодействующий момент до значения, при котором якорь двигателя остановится (точка В), то ЭДС и ток двигателя достигает значения . Если двигатель применяют для привода механизма, нагрузочный момент которого может быть больше вращающегося (например, привод барабана, на который наматывается трос с грузом), то при последующем увеличении нагрузочного момента этого механизма якорь машины вновь начнет вращаться, но теперь уже в другую сторону. Теперь момент, действующий на вал электрической машины со стороны нагрузочного механизма, будет вращающим, а электромагнитный момент машины -- тормозящим, т. е. электрическая машина перейдет в тормозной режим. При работе машины в этом режиме ЭДС якоря действует согласованно с напряжением, т. е. .

При использовании машины в тормозном режиме необходимо принять меры для ограничения тока якоря. С этой целью в цепь якоря включают добавочное сопротивление, величина которого обеспечивает получение искусственной характеристики двигателя, пересекающейся с осью абсцисс при токе якоря (штриховая прямая).

Если при работе двигателя в режиме х.х. к его валу приложить момент, направленный в сторону вращения якоря, то частота вращения, а следовательно, и ЭДС начнут возрастать. Когда ЭДС , машина не будет потреблять тока из сети (точка С) и частота вращения якоря достигает значения, называемого пограничной частотой вращения

Рис. 8. Режимы работы машины постоянного тока: 1 -- с параллельным (независимым) возбуждением; 2 -- со смешанным возбуждением; 3 -- с последовательным возбуждением

При дальнейшем увеличении внешнего момента на валу машины ЭДС станет больше напряжения, а в цепи якоря опять возникает ток, но другого направления. При этом машина перейдет в генераторный режим: механическая энергия, затрачиваемая на вращение якоря, будет преобразовываться в электрическую и поступать в сеть.

Перевод машины из двигательного в генераторный режим используют для торможения двигателя, так как в генераторном режиме электромагнитный момент является тормозящим (рекуперативное торможение).

6. Двигатель последовательного возбуждения

В этом двигателе обмотка возбуждения включена последовательно в цепь якоря (рис. 9, а), поэтому магнитный поток Ф в нем зависит от тока нагрузки . При небольших нагрузках магнитная система машины не насыщена и зависимость магнитного потока от тока нагрузки прямо пропорциональна, т. е. . В этом случае найдем по электромагнитный момент:

Формула частоты вращения (5) примет вид

. (29.15)

Здесь -- коэффициент пропорциональности.

На рис. 9, б представлены рабочие характеристики и двигателя последовательного возбуждения. При больших нагрузках наступает насыщение магнитной системы двигателя. В этом случае магнитный поток при возрастании нагрузки практически не изменяется и характеристики двигателя приобретают почти прямолинейный характер. Характеристика частоты вращения двигателя последовательного возбуждения показывает, что частота вращения двигателя значительно меняется при изменениях нагрузки. Такую характеристику принято называть мягкой.



Рис. 9. Двигатель последовательного возбуждения: а -- принципиальная схема; б -- рабочие характеристики; в -- механические характеристики; 1 -- естественная характеристика; 2 -- искусственная характеристика

При уменьшении нагрузки двигателя последовательного возбуждения частота вращения резко увеличивается и при нагрузке меньше 25% от номинальной может достигнуть опасных для двигателя значений («разнос»). Поэтому работа двигателя последовательного возбуждения или его пуск при нагрузке на валу меньше 25% от номинальной недопустима.

Для более надежной работы вал двигателя последовательного возбуждения должен быть жестко соединен с рабочим механизмом посредством муфты и зубчатой передачи. Применение ременной передачи недопустимо, так как при обрыве или сбросе ремня может произойти «разнос» двигателя. Учитывая возможность работы двигателя на повышенных частотах вращения, двигатели последовательного возбуждения, согласно ГОСТу, подвергают испытанию в течение 2 мин на превышение частоты вращения на 20% сверх максимальной, указанной на заводском щите, но не меньше чем на 50% сверх номинальной.

Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения представлены на рис. 9, в. Резко падающие кривые механических характеристик (естественная 1 и искусственная 2) обеспечивают двигателю последовательного возбуждения устойчивую работу при любой механической нагрузке. Свойство этих двигателей развивать большой вращающий момент, пропорциональный квадрату тока нагрузки, имеет важное значение, особенно в тяжелых условиях пуска и при перегрузках, так как с постепенным увеличением нагрузки двигателя мощность на его входе растет медленнее, чем вращающий момент. Эта особенность двигателей последовательного возбуждения является одной из причин их широкого применения в качестве тяговых двигателей на транспорте, а также в качестве крановых двигателей в подъемных установках, т. е. во всех случаях электропривода с тяжелыми условиями пуска и сочетания значительных нагрузок на вал двигателя с малой частотой вращения.

Номинальное изменение частоты вращения двигателя последовательного возбуждения

, (29.16)

где -- частота вращения при нагрузке двигателя, составляющей 25% от номинальной.

Частоту вращения двигателей последовательного возбуждения можно регулировать изменением либо напряжения , либо магнитного потока обмотки возбуждения. В первом случае в цепь якоря последовательно включают регулировочный реостат (рис. 10, а). С увеличением сопротивления этого реостата уменьшаются напряжение на входе двигателя и частота его вращения. Этот метод регулирования применяют главным образом в двигателях небольшой мощности. В случае значительной мощности двигателя этот способ неэкономичен из-за больших потерь энергии в . Кроме того, реостат , рассчитываемый на рабочий ток двигателя, получается громоздким и дорогостоящим.

При совместной работе нескольких однотипных двигателей частоту вращения регулируют изменением схемы их включения относительно друг друга (рис. 10, б). Так, при параллельном включении двигателей каждый из них оказывается под полным напряжением сети, а при последовательном включении двух двигателей на каждый двигатель приходится половина напряжения сети. При одновременной работе большего числа двигателей возможно большее количество вариантов включения. Этот способ регулирования частоты вращения применяют в электровозах, где установлено несколько одинаковых тяговых двигателей.

Изменение подводимого к двигателю напряжения возможно при питании двигателя от источника постоянного тока с регулируемым напряжением (например, по схеме, аналогичной рис. 6, а). При уменьшении подводимого к двигателю напряжения его механические характеристики смещаются вниз, практически не меняя своей кривизны (рис. 10).

Рис. 10. Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения при изменении подводимого напряжения

Регулировать частоту вращения двигателя изменением магнитного потока можно тремя способами: шунтированием обмотки возбуждения реостатом , секционированием обмотки возбуждения и шунтированием обмотки якоря реостатом . Включение реостата , шунтирующего обмотку возбуждения (рис. 10, в), а также уменьшение сопротивления этого реостата ведет к снижению тока возбуждения , а, следовательно, к росту частоты вращения. Этот способ экономичнее предыдущего (см. рис. 11, а), применяется чаще и оценивается коэффициентом регулирования . Обычно сопротивление реостата принимается таким, чтобы .

При секционировании обмотки возбуждения (рис. 11, г) отключение части витков обмотки сопровождается ростом частоты вращения. При шунтировании обмотки якоря реостатом см. рис. 10, в) увеличивается ток возбуждения , что вызывает уменьшение частоты вращения. Этот способ регулирования, хотя и обеспечивает глубокую регулировку, неэкономичен и применяется очень редко.

Рис. 11. Регулирование частоты вращения двигателей последовательного возбуждения

7. Двигатель смешанного возбуждения

Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную (рис. 12, а). Частота вращения этого двигателя

, (17)

где и -- потоки параллельной и последовательной обмоток возбуждения.

Знак плюс соответствует согласованному включению обмоток возбуждения (МДС обмоток складываются). В этом случае с увеличением нагрузки общий магнитный поток возрастает (за счет потока последовательной обмотки ), что ведет к уменьшению частоты вращения двигателя. При встречном включении обмоток поток при увеличении нагрузки размагничивает машину (знак минус), что, наоборот, повышает частоту вращения. Работа двигателя при этом становится неустойчивой, так как с увеличением нагрузки частота вращения неограниченно растет. Однако при небольшом числе витков последовательной обмотки с увеличением нагрузки частота вращения не возрастает и во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменной.

На рис. 12, б показаны рабочие характеристики двигателя смешанного возбуждения при согласованном включении обмоток возбуждения, а на рис. 29.12, в -- механические характеристики. В отличие от механических характеристик двигателя последовательного возбуждения последние имеют более пологий вид.

Рис. 12. Схема двигателя смешанного возбуждения (а), его рабочие (б) и механические (в) характеристики

Следует отметить, что по своей форме характеристики двигателя смешанного возбуждения занимают промежуточное положение между соответствующими характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения в зависимости от того, в какой из обмоток возбуждения (параллельной или последовательной) преобладает МДС.

Двигатель смешанного возбуждения имеет преимущества по сравнению с двигателем последовательного возбуждения. Этот двигатель может работать вхолостую, так как поток параллельной обмотки ограничивает частоту вращения двигателя в режиме х.х. и устраняет опасность «разноса». Регулировать частоту вращения этого двигателя можно реостатом в цепи параллельной обмотки возбуждения. Однако наличие двух обмоток возбуждения делает двигатель смешанного возбуждения более дорогостоящим по сравнению с двигателями рассмотренных выше типов, что несколько ограничивает его применение. Двигатели смешанного возбуждения применяют обычно там, где требуются значительные пусковые моменты, быстрое ускорение при разгоне, устойчивая работа и допустимо лишь небольшое снижение частоты вращения при увеличении нагрузки на вал (прокатные станы, грузовые подъемники, насосы, компрессоры).

8. Потери и коэффициент полезного действия коллекторной машины постоянного тока

В машинах постоянного тока, как и в других электрических машинах, имеют место магнитные, электрические и механические потери (составляющие группу основных потерь) и добавочные потери.

Магнитные потери происходят только в сердечнике якоря, так как только этот элемент магнитопровода машины постоянного тока подвергается перемагничиванию. Величина магнитных потерь, состоящих из потерь от гистерезиса и потерь от вихревых токов, зависит от частоты перемагничивания значений магнитной индукции в зубцах и спинке якоря, толщины листов электротехнической стали, ее магнитных свойств и качества изоляции этих листов в пакете якоря.

Электрические потери в коллекторной машине постоянного тока обусловлены нагревом обмоток и щеточного контакта. Потери в цепи возбуждения определяются потерями в обмотке возбуждения и в реостате, включенном в цепь возбуждения:

(18)

Здесь -- напряжение на зажимах цепи возбуждения. Потери в обмотках цепи якоря

(19)

где сопротивление обмоток в цепи якоря , приведенное к расчетной рабочей температуре , определяется с учетом данных, приведенных в § 13.1 и § 8.4.

Электрические потери также имеют место и в контакте щеток:

(20)

где -- переходное падение напряжения, В, на щетках обеих полярностей, принимаемое в соответствии с маркой щеток.

Электрические потери в цепи якоря и в щеточном контакте зависят от нагрузки машины, поэтому эти потери называют переменными.

Механические потери. В машине постоянного тока механические потери складываются из потерь от трения щеток о коллектор.

 (21)

трения в подшипниках и на вентиляцию

(22)

где -- коэффициент трения щеток о коллектор -- поверхность соприкосновения всех щеток с коллектором, м²; -- удельное давление, Н/м², щетки [для машин общего назначения =(2ч3)·10⁴ Н/м²];

окружная скорость коллектора (м/с) диаметром (м)

. (23)

Механические и магнитные потери при стабильной частоте вращения можно считать постоянными.

Сумма магнитных и механических потерь составляют потери х.х.:

. (24)

Если машина работает в качестве двигателя параллельного возбуждения в режиме х.х., то она потребляет из сети мощность

. (25)

Однако ввиду небольшого значения тока электрические потери и весьма малы и обычно не превышают 3% потерь . Поэтому, не допуская заметной ошибки, можно записать , откуда потери х.х.

. (26)

Таким образом, потери х.х. (магнитные и механические) могут быть определены экспериментально.

В машинах постоянного тока имеется ряд трудно учитываемых потерь -- добавочных. Эти потери складываются из потерь от вихревых токов в меди обмоток, потерь в уравнительных соединениях, в стали якоря из-за неравномерного распределения индукции при нагрузке, в полюсных наконечниках, обусловленных пульсацией основного потока из-за наличия зубцов якоря, и др. Добавочные потери составляют хотя и небольшую, но не поддающуюся точному учету величину. Поэтому, согласно ГОСТу, в машинах без компенсационной обмотки значение добавочных потерь принимают равным 1% от полезной мощности для генераторов или 1% от подводимой мощности для двигателей. В машинах с компенсационной обмоткой значение добавочных потерь принимают равным соответственно 0,5%.

Мощность (Вт) на входе машины постоянного тока (подводимая мощность):

для генератора (механическая мощность)

(27)

где -- вращающий момент приводного двигателя, Н•м;

для двигателя (электрическая мощность)

. (28)

Мощность (Вт) на выходе машины (полезная мощность):

для генератора (электрическая мощность)

; (29)

для двигателя (механическая мощность)

. (30)

Здесь и -- момент на валу электрической машины, Н-м; -- частота вращения, об/мин.

Коэффициент полезного действия. Коэффициент полезного действия электрической машины представляет собой отношение мощностей отдаваемой (полезной) к подводимой (потребляемой) ,:

.

Определив суммарную мощность вышеперечисленных потерь

, (31)

можно подсчитать КПД машины по одной из следующих формул:

для генератора

; (29.32)

для двигателя

. (33)

Обычно КПД машин постоянного тока составляет 0,75--0,90 для машин мощностью от 1 до 100 кВт и 0,90--0,97 для машин мощностью свыше 100 кВт. Намного меньше КПД машин постоянного тока малой мощности. Например, для машин мощностью от 5 до 50 Вт = 0,15ч0,50. Указанные значения КПД соответствуют номинальной нагрузке машины. Зависимость КПД машины постоянного тока от нагрузки выражается графиком , форма которого характерна для электрических машин (рис. 13).

Рис. 13. Зависимость

Коэффициент полезного действия электрической машины можно определять: а) методом непосредственной нагрузки по результатам измерений подведенной и отдаваемой мощностей; б) косвенным методом по результатам измерений потерь.

Метод непосредственной нагрузки применим только для машин малой мощности, для остальных случаев применяется косвенный метод, как более точный и удобный. Установлено, что при > 80 % измерять КПД методом непосредственной нагрузки нецелесообразно, так как он дает большую ошибку, чем косвенный метод.

Существует несколько косвенных способов определения КПД. Наиболее прост способ холостого хода двигателя, когда потребляемая машиной постоянного тока мощность затрачивается только на потери х.х. Что же касается электрических потерь, то их определяют расчетным путем после предварительного измерения электрических сопротивлений обмоток и приведения их к рабочей температуре.

Пример 1. Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения (см. рис. 3) включен в сеть с напряжением 220 В. При номинальной нагрузке и частоте вращения об/мин он потребляет ток = 43 А. Определить КПД двигателя при номинальной нагрузке, если ток х.х. = 4 А, а сопротивления цепей якоря = 0,25 Ом и возбуждения = 150 Ом. При каком добавочном сопротивлении , включенном последовательно в цепь якоря, частота вращения двигателя будет = 1000 об/мин (нагрузочный момент )?

Решение. Ток возбуждения = 220/150 =1,47 А. Ток якоря в режиме х.х. = 4 - 1,47 = 2,53 А. Ток якоря номинальный = 43 - 1,47 = 41,53 А. Сумма магнитных и механических потерь = 220- 2,53 -2,53²- 0,25 = 555 Вт. Электрические потери в цепи возбуждения по (29.18)

Вт.

Электрические потери в цепи якоря по (19)

Вт.

Электрические потери в щеточном контакте по (20)

Вт.

Подводимая к двигателю мощность по (28)

Вт.

Добавочные потери

Вт.

Суммарные потери по (31)

Вт.

Полезная мощность двигателя

Вт.

КПД двигателя при номинальной нагрузке

.

Из выражения (5) получим

ЭДС якоря при частоте вращения 1000 об/мин по (20)

В.

Так как ток якоря прямо пропорционален моменту , то при сила тока после включения останется прежней А. Из выражения тока якоря (29.2) получим

Ом.

Электрические потери в добавочном сопротивлении

Вт.

Полезная мощность двигателя при частоте вращения 1000 об/мин

Вт.

Расчет полезной мощности является приближенным, так как он не учитывает уменьшение механических потерь двигателя при его переходе на меньшую частоту вращения.

9. Машины постоянного тока серий 4П и 2П

Стремительное развитие автоматизации производства привело к необходимости создания двигателей постоянного тока с широким диапазоном регулирования частоты вращения (до 1:1000) с хорошими динамическими свойствами. Этим требованиям соответствуют двигатели серии 4П. Серия охватывает двигатели с высотой оси вращения от 80 до 450 мм следующих модификаций.

Двигатели типа 4ПО и 4ПБ охватывают диапазон мощности от 0,126 до 5,5 кВт при номинальной частоте вращения от 750 до 3000 об/мин. Двигатели допускают регулирование частоты вращения вниз от номинальной уменьшением напряжения на обмотке якоря при снижении тока до 0,5 . А так же вверх от номинальной (уменьшением тока возбуждения) в пределах максимальной частоты вращения, которая превышает номинальную в среднем в 1,35--1,8 раза. Конструкция этих двигателей унифицирована с асинхронными двигателями серии 4А. Это позволило применить для производства некоторых узлов двигателей типа 4ПО и 4ПБ технологическое оборудование, применяемое в производстве двигателей серии 4А.

В унифицированной конструкции этих двигателей магнитопровод статора неявнополюсный с распределенными в пазах обмотками. Так, обмотка возбуждения (независимая) укладывается в два паза в пределах каждого полюсного деления, остальные пазы занимает компенсационная обмотка. В двигателях типа 4ПО и 4ПБ и двигателях серии 4А одинакового габарита могут быть применены одинаковые станины, задние подшипниковые шиты, коробки выводов, подшипники и т. п.

Применение распределенных обмоток на статоре двигателей типа 4ПО и 4ПБ улучшило процесс охлаждения и позволило увеличить токовые нагрузки на обмотки возбуждения и компенсационную.

Кроме того, распределенная конструкция обмоток статора способствует лучшей компенсации реакции якоря и улучшению коммутации.

Двигатели постоянного тока типов 4ПО и 4ПБ имеют закрытое исполнение со степенью защиты IР44 со способами охлаждения IС0141 (наружный обдув) в двигателях типа 4ПО (рис. 29.14) и IС0041 (естественное охлаждение) в двигателях типа 4ПБ.



Рис. 14. Двигатель постоянного тока типа 4IIО унифицированной конструкции; 1 -- корпус; 2 -- магнитопровод статора с распределенными обмотками; 3 -- шит подшипниковый передний; 4 -- сердечник якоря; 5 -- вентилятор, 6 -- кожух вентилятора; 7 -- коробка выводов; 8 -- коллектор, 9 -- траверса

Широкорегулируемые двигатели типа 4ПФ предназначены для привода станков с программным управлением, роботизированных производственных комплексов. Исполнение двигателей по степени защиты IР23 (защищенные), способ охлаждения IС06 (независимая вентиляция). Двигатели охватывают номинальные мощности от 2,0 до 250 кВт при высоте оси вращения от 112 до 250 мм. Напряжение питания 220 и 440 В. Регулирование частоты вращения возможно изменением подводимого к обмотке якоря напряжения от 0 до 460 В. Допускается также регулирование частоты вращения ослаблением поля возбуждения (уменьшением тока в обмотке возбуждения).

Статор двигателей восьмигранный шихтованный, явнополюсный (рис. 15). Пакет статора запрессован между двумя нажимными плитами толщиной 10 мм. Подшипниковые шиты литые чугунные.



Рис. 15. Двигатель постоянного тока типа 4ПФ: 1 -- траверса; 2 -- вентилятор наружный; 3 -- коллектор; 4 -- обмоткодержатель якоря; 5 -- нажимная плита статора; 6 -- подшипниковый щит; 7 -- обмотка компенсационная; 8 -- дополнительный полюс; 9 -- статор; 10 -- обмотка независимого возбуждения; 11 -- балансировочное кольцо

Катушки возбуждения намотаны на главные полюса, катушки дополнительной обмотки надеты на добавочные полюса, компенсационная обмотка расположена в пазах полюсных наконечников.

Наружный вентилятор может быть снабжен фильтром для очистки воздуха от пыли и мелких частиц. Вентилятор расположен на боковой или торцевой поверхности со стороны коллектора.

Крупные двигатели 4П для тяжелых условий эксплуатации предназначены для привода крупных металлорежущих станков, механизмов металлургического производства, с частыми пусками, остановками, реверсами, набросами и неравномерностью нагрузки. Двигатели изготавливаются с высотой оси вращения 355 и 450 мм мощностью от 110 до 800 кВт; напряжение питания 440 и 600 В. Возбуждение независимое напряжением 220 В. Вентиляция от постороннего вентилятора. Двигатели имеют степень защиты IР44 и IР23.

10. Универсальные коллекторные двигатели

Универсальными называют коллекторные двигатели, которые могут работать как от сети постоянного, так и от сети однофазного переменного тока.

Коллекторный двигатель постоянного тока в принципе может работать от сети переменного тока, так как при переходе от положительного полупериода переменного напряжения к отрицательному направление электромагнитного момента сохраняется неизменным. Объясняется это тем, что при переходе к отрицательному полупериоду почти одновременно с изменением направления тока в обмотке якоря меняется направление тока в обмотке возбуждения, т. е. меняется полярность полюсов.

Рис. 16. К принципу работы универсального коллекторного двигателя

Однофазные коллекторные двигатели имеют преимущественно последовательное возбуждение. Применение параллельного возбуждения (рис. 14, ) в данном случае ограничивается значительной индуктивностью параллельной обмотки возбуждения, имеющей большое число витков. Это создает значительный фазовый сдвиг между током якоря и током возбуждения на угол (рис. 14, б). Среднее значение электромагнитного момента в этом случае определяется выражением, аналогичным выражению (24), но учитывающим угол сдвига между током якоря и магнитным потоком:

, (34)

где -- максимальное значение магнитного потока; -- угол сдвига фаз между током якоря и током возбуждения; -- угол сдвига фаз между током возбуждения и магнитным потоком, обусловленный наличием магнитных потерь в машине [, а следовательно, ].

В двигателе последовательного возбуждения (рис. 14, в) ток якоря и ток возбуждения совпадают по фазе: = 0 (рис. 14, г). Поэтому среднее значение электромагнитного вращающего момента в двигателе последовательного возбуждения больше, чем в двигателе параллельного возбуждения:

. (35)

Электромагнитный момент двигателя последовательного возбуждения при работе от сети переменного тока имеет постоянную составляющую (рис. 14, д) и переменную составляющую , изменяющуюся с частотой, равной удвоенной частоте сети (рис. 14, е). Результирующий момент этого двигателя является пульсирующим M_~ (рис. 14, ж): M_~ =. Небольшие участки графика с отрицательным (тормозящим) моментом обусловлены фазовым сдвигом между векторами магнитного потока и током (рис. 14, г). Пульсации момента M_~ практически не нарушают работу двигателя, включенного в сеть переменного тока, так как сглаживаются за счет момента инерции вращающегося якоря.

По своей конструкции универсальные коллекторные двигатели отличаются от двигателей постоянного тока тем, что их станина и главные полюсы делаются шихтованными из листовой электротехнической стали. Это дает возможность сократить магнитные потери, которые при работе двигателя от сети переменного тока повышаются, так как переменный ток в обмотке возбуждения вызывает перемагничивание всей магнитной цепи, включая станину и сердечники полюсов.

Основной недостаток однофазных коллекторных двигателей -- тяжелые условия коммутации. Дело в том, что в коммутирующих секциях помимо реактивной ЭДС и ЭДС внешнего поля наводится трансформаторная ЭДС , действующее значение которой

. (29.36)

Эта ЭДС наводится переменным магнитным потоком возбуждения, сцепленным с коммутирующими секциями. Для уменьшения трансформаторной ЭДС необходимо уменьшить поток , а чтобы мощность двигателя при этом осталась прежней, следует увеличить число полюсов в двигателе.

Применение в обмотке якоря двигателя одновитковых секций также способствует ограничению , но при этом увеличивается количество пластин в коллекторе, а, следовательно, возрастают его размеры. Применение добавочных полюсов с обмоткой, включенной последовательно в цепь якоря, позволяет добиться полной взаимной компенсации трансформаторной ЭДС только при определенных значениях тока якоря и частоты вращения. При других режимах работы двигателя условия коммутации остаются тяжелыми. Регулировка частоты вращения и реверсирование однофазного коллекторного двигателя выполняются так же, как и в двигателях постоянного тока последовательного возбуждения.

В универсальном коллекторном двигателе стремятся получить примерно одинаковые частоты вращения при номинальной нагрузке, как на постоянном, так и на переменном токе. Достигается это тем, что обмотку возбуждения двигателя выполняют с ответвлениями: при работе двигателя от сети постоянного тока обмотка возбуждения используется полностью, а при работе от сети переменного тока -- частично (рис. 15, ).

Расхождения в характеристиках двигателя на постоянном и переменном токе объясняются тем, что при работе от сети переменного тока на величину и фазу тока оказывают влияние индуктивные сопротивления обмоток якоря и возбуждения.

Рис. 17. Схема соединений и рабочие характеристики универсального коллекторного двигателя

Однако уменьшение числа витков обмотки возбуждения обеспечивает сближение характеристик лишь при нагрузке, близкой к номинальной. На рис. 15, б приведены рабочие характеристики универсального коллекторного двигателя типа УМТ-22 (55 Вт, 200 об/мин, 110/127 В). Потребляемый двигателем ток при работе от сети переменного тока больше, чем при работе этого же электродвигателя от сети постоянного тока, так как переменный ток помимо активной имеет еще и реактивную составляющую. Коэффициент полезного действия универсальных двигателей при переменном токе ниже, чем при постоянном, что вызвано повышенными магнитными потерями. Области применения универсальных коллекторных двигателей достаточно широки: их применяют в автоматике, для привода различного электроинструмента, бытовых электроприборов и др.

...