Машины постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА



Комплексной целью модуля является изучение:

- устройства, конструкций и принципов работы машин постоянного тока;

- магнитных систем машин постоянного тока;

- работы элементов конструкции (якорь, коллектор, щеточный механизм);

- способов возбуждения, рабочих режимов и реакции якоря машин постоянного тока;

- обратимости машин постоянного тока;

- особенностей эксплуатации однофазных коллекторных двигателей.

машина постоянный ток коллекторный



Лекция 1. Электрические машины постоянного тока

Электрические машины постоянного тока обратимы и могут работать в качестве:

-преобразователей механической энергии в электрическую. Это генераторы, устанавливаемые на электрических станциях и приводимые в движение или двигателями, или другими устройствами;

-преобразователей электрической энергии в механическую. Это двигатели станков, трамвайных вагонов, кроме того, постоянный ток используются для питания электролитических ванн, электромагнитов различного назначения.

Электрическим машинам постоянного тока присущи многие полезные качества. Двигатели постоянного тока допускают плавное регулирование скорости вращения в широких пределах, создавая при этом большой пусковой момент.

1.1 Устройство и принцип работы генератора постоянного тока

Принцип работы генератора постоянного тока основан на возникновении ЭДС в рамке, вращающейся в магнитном поле.

При вращении рамки индуцируемая в ней ЭДС будет изменяться по синусоиде, т.е. за один оборот дважды поменяет знак. Чтобы ток во внешней цепи имел одно направление (постоянное), применяют коллектор.



Рис. 1. 1. Генератор: 1 - щетка коллектора; 2 - полукольцо коллектора; 3 - якорь; 4 - индуктор.

Условимся относительно некоторых названий.

Обмотку электромагнита, создающего магнитное поле, будем называть обмоткой возбуждения, а ту часть машины, на которой она расположена, - индуктором.

Обмотку, в которой индуктируется напряжение, будем называть якорной обмоткой, а ту часть машины, где она расположена, - якорем.

Итак, основными элементами машины постоянного тока являются электромагниты, коллектор и якорь, к рассмотрению которых мы и переходим.

1.2 Магнитная система машин постоянного тока

Электромагнит должен создать магнитное поле, линии которого сцепляются с витком якорной обмотки. Магнитные линии, проходящие мимо обмотки, совершенно бесполезны. Величина магнитного потока должна быть по возможности большой, так как чем больше магнитный поток, тем больше величина напряжения, индуктируемого в якоре. По этим соображениям желательно направить путь магнитных линий по стали, так как намагниченная сталь создает внутри себя добавочный магнитный поток. Поэтому и сердечник электромагнита, и якорь должны быть сделаны из стали. Путь магнитных линий в генераторе постоянного тока показан на рис. 1.2. Здесь надо обратить внимание на направление токов в обмотках возбуждения. Применив правило штопора и к верхнему, и к нижнему сердечнику, мы увидим, что создаваемые ими магнитные линии имеют в якоре одно и то же направление и, следовательно, магнитные потоки складываются. Верхний сердечник является южным полюсом, нижний - северным. Такая магнитная система имеет одну пару полюсов.

Рис.1. 2. Генератор постоянного тока

Рис. 1. 3. Варианты конструкции якоря

Направление токов в обмотках возбуждения выбирается с таким расчетом, чтобы соседние полюсы были разноименными, т. е. чтобы рядом с северным находился южный полюс и т. д. Такая магнитная система имеет две пары полюсов рис.1.4. Существуют машины и с большим числом полюсов, но их число будет непременно четным. Часть пути магнитные линии должны все же проходить по воздуху. Якорь должен вращаться, а для этого необходим воздушный зазор между ним и полюсами. Однако величину этого зазора делают настолько малой, насколько это позволяет неизбежное изнашивание подшипников машин. нельзя допустить, чтобы якорь при вращении ударялся о полюсы.

Рис. 1. 4. Статор четырехполюсной машины постоянного тока: 1 - корпус; 2 - полюс обмотки; 3 - обмотка; 4 - крюк; 5 - монтажный провод.

Величина магнитного потока зависит от размеров и материала машины, числа витков и величины протекающего по ним тока.

В современных электрических машинах не слишком большой мощности возбуждение осуществляется не только от электромагнитов, но и от постоянных ферромагнитов. При этом габариты машины уменьшаются, исключаются потери на нагрев обмотки возбуждения и возрастает КПД. Электрические машины с постоянными магнитами более технологичны, их производство легко автоматизировать.



1.3 Коллектор

Прежде чем говорить об устройстве якорной обмотки, присмотримся к тому, что делается в каждом из ее витков в отдельности. В тот момент, когда плоскость витка перпендикулярна направлению магнитных линий, напряжение в нем будет равно нулю. Если к концам витка присоединена какая-нибудь нагрузка, то ток в ней в этот момент также равен нулю. В сложных обмотках, составленных из многих витков, плоскости которых не совпадают друг с другом, напряжение будет проходить нулевое значение не одновременно. Но как бы ни были расположены отдельные витки, нулевое значение напряжения будет наступать в одном и том же месте, а именно - на нейтральной линии. Очевидно, что нейтральная линия располагается симметрично относительно северного и южного полюсов. В частности, в четырехполюсной машине имеется не одна, а две нейтральные линии. Если пересоединять каждые полпериода генераторные концы, то ток у потребителя будет иметь постоянное направление Рис.1.5.

Итак, направление тока у потребителя остается постоянным, но величина его будет меняться. В течение полупериода ток будет меняться по синусоиде, но по синусоиде выпрямленной.

Рис. 1. 5 График выпрямленного тока двумя полукольцами

Ток следующего витка также будет выпрямленной синусоидой и, сложившись с током предыдущего витка, он сгладит колебания величин тока. При большом числе витков получается почти неизменный ток Рис.1.6.

Рис.1.6 График выпрямления тока коллектором

Устройство, служащее для подобного выпрямления, носит название коллектора.

В простейшем случае коллектор представляет собой две половины кольца, изолированные друг от друга. К этим полукольцам и присоединяются концы обмотки, в которой наводится переменное напряжение (рис. 1.7). К поверхности этих вращающихся полуколец прижаты неподвижно закрепленные угольные щетки, соединяющие обмотку генератора с внешней цепью.

Если установить щетки на нейтральной линии, то получим устройство, автоматически осуществляющее переключение. На рис. 1.7 показано положение полуколец, при котором щетка 4 только что перескочила на полукольцо 3, соединенное с проводом рамки 2.

Рис. 1.7. Простейший коллектор: 1, 2 - провода рамки; 3 - полукольцо коллектора; 4 - щетка; 5 - провод коммутации нагрузки.

Генератор с одной парой коллекторных пластин (два полукольца) будет давать ток, постоянный по направлению, но не по величине: за каждые полоборота ток возрастает от нуля до наибольшей величины и вновь спадает до нуля рис.1.5.

1.4 Якорные обмотки

Якорь представляет собой стальной цилиндр (3), на котором расположены витки обмотки (4, 5). Эти витки соединены между собой последовательно и образуют замкнутую цепь (рис. 1.8).При вращении якоря магнитный поток, пронизывающий витки обмотки, будет меняться. В результате в каждом из витков будет возникать переменная ЭДС, изменяющаяся приблизительно по закону синуса.

Рис. 1.8. Устройство кольцевого якоря: 1, 2 - витки обмоток полюсов; 3 - цилиндрический якорь; 4, 5 - витки обмотки якоря; N, S - главные полюса; а, в - нейтральная линия.

Необходимо также заметить, что во всех витках, расположенных по одну сторону от нейтральной линии, ЭДС будет иметь один и тот же знак.

Ясно, что соединение проводников обмотки должно быть таким, чтобы ЭДС складывались, а не вычитались. Найдем наиболее целесообразный способ их соединения.

Свободные выводы, расположенные на одной стороне якоря, назовем началами, а расположенные на другой стороне - концами. Соединив между собой два каких-нибудь начала, получим виток, пока еще разомкнутый. Оказывается, что нельзя соединять между собой соседние провода.

Правильное решение задачи - соединить между собой начала двух проводов, расстояние между которыми равно примерно половине окружности якоря. Такой виток будет охватывать весь магнитный поток, и в нем будет наводиться большая ЭДС.

Концы проводов остаются пока свободными. Их надо соединить и с коллектором, иначе машина будет давать переменный, а не постоянный ток, и между собой, иначе цепь будет незамкнутой. Таким образом, число сторон обмотки будет вдвое больше числа пластин коллектора. При соединении свободных концов надо руководствоваться тем же правилом, что и при соединении начал: расстояние между соединительными концами должно быть приблизительно равным половине окружности якоря. Наши обозначения «конец» и «начало» произвольны, установленное для «начала», остается верным и для «конца».

а б

Рис. 1.9. Петлевая (а) и волновая (б) обмотки машины постоянного тока

Однако если число полюсов больше двух, то этому требованию можно удовлетворить двумя различными способами. Возьмем какой-нибудь незамкнутый виток. Если одна из его сторон лежит под южным полюсом, то другая будет находиться под северным. Конец, находящийся под южным полюсом, должен быть соединен с концом другого витка и притом такого, который находится под северным полюсом. Но в многополюсной машине рядом с южным находится не один, а два северных полюса. К какому же именно витку мы должны присоединить наш свободный конец?

Возможны два решения. Если мы вернемся обратно, т. е. соединим два таких витка, у которых обе стороны лежат под одними и теми же полюсами, то получится петлевая обмотка. Если же мы пойдем не назад, а вперед и соединим витки, стороны которых лежат под различными полюсами, то получится волновая обмотка (рис. 1.9, б).

Обмотки укладываются в специальных пазах, вырезанных по поверхности якоря. Внешний вид якоря показан на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Якорь машины постоянного тока

1.5 Рабочий режим машин постоянного тока

Чем больше магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, чем больше скорость вращения якоря и чем больше проводов в обмотке якоря включено последовательно, тем выше будет напряжение на зажимах генератора.

Меняя ток возбуждения и скорость вращения машины, мы можем тем самым регулировать ее напряжение. Если машина не нагружена, т. е. если в обмотке якоря нет тока, мощность, затрачиваемая на ее вращение, определяется почти исключительно теми незначительными, но неизбежными потерями мощности, которые вызываются трением. Присоединим к щеткам машины какую-либо нагрузку, - в обмотке якоря возникает ток, который будет взаимодействовать с магнитным полем полюсов, препятствуя вращению якоря. Чем больше будет ток, тем большее усилие нужно прилагать для того, чтобы поддерживать вращение машины, иначе говоря, тем большую механическую мощность нужно затрачивать. Это и понятно: чем больше ток, тем больше мощность, отдаваемая машиной во внешнюю цепь (при неизменном напряжении).

Отношение ЭДС якоря к его скорости есть величина постоянная, т. е.

E/Q = const,

где Е - ЭДС якоря и Q - угловая скорость якоря.

Для оценки механической мощности, развиваемой электрической машиной, удобнее всего исходить из величины момента силы. Напомним, что моментом силы называется произведение силы на плечо. Плечом в данном случае является радиус якоря; так как радиус якоря является постоянной величиной, то момент пропорционален той силе, с которой магнитное поле машины действует на протекающие по якорю токи.

Нас интересует не момент, а то, как он будет изменяться в зависимости от магнитного потока машины и нагрузочного тока. Увеличив или уменьшив магнитный поток, мы увеличим или уменьшим, и притом во столько же раз, магнитную индукцию. Соответственно изменится и развиваемый машиной момент. Обозначив его через М, мы можем записать М1Ф1 = const.

Отметим, что в нагруженной машине картина усложнится, так как ток якоря создает свое собственное магнитное поле, которое складывается с магнитным полем тока возбуждения. На рис. 1.1 направление магнитного поля якоря показано стрелками.



Рис. 1. 11. Расположение магнитных полей машины постоянного тока

Результатом искажения поля является смещение нейтральной линии. Неприятным следствием этого является то, что коллекторные пластины будут находиться под щетками в тот момент, когда ЭДС соответствующих витков не будет равна нулю, а это затрудняет операцию выпрямления тока. Это явление мы назовем реакцией якоря, для борьбы с ним применяют один из двух следующих способов: устанавливают дополнительные полюса или смещают щетки, выбирая их место так, чтобы переключения происходили при отсутствии ЭДС в витках, концы которых пересоединяются в данный момент времени.

1.6 Способы возбуждения генераторов постоянного тока

Возбуждением генератора называется создание главного магнитного потока, благодаря которому во вращающемся якоре создается ЭДС. Важнейшим отличительным признаком машин постоянного тока является способ возбуждения главного магнитного поля. Практически во всех современных машинах главное магнитное поле возбуждается электромагнитным путем, для чего по обмотке возбуждения, размещенной на сердечниках полюсов машины, пропускается ток. Все рабочие характеристики машины постоянного тока при работе как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, зависят от способа включения цепи возбуждения по отношению к цепи якоря. Соединение этих цепей может быть параллельным, последовательным, смешанным и, наконец, цепи эти могут быть независимы друг от друга. При любом способе включения мощность, потребляемая цепью возбуждения невелика, и составляет несколько процентов от номинальной мощности машины.

1.7 Генератор с независимым возбуждением

Обмотка возбуждения ОВ такого генератора подключена к постороннему источнику тока через регулировочный реостат Рис.1.2. При увеличении тока нагрузки напряжение на зажимах этого генератора несколько уменьшается из-за падения напряжения на обмотке якоря и в результате действия реакции якоря, которая уменьшает магнитный поток машины. Для поддержания постоянного напряжения на зажимах генератора изменяют ток возбуждения с помощью регулировочного реостата.

Рис. 1.12. Генератор постоянного тока с независимым возбуждением: Я - якорь генератора; R - регулировочный реостат; ОВ - обмотка возбуждения.

Внешняя характеристика этого генератора (зависимость напряжения на зажимах от тока нагрузки) показана на рис. 1.13 (кривая 1).



Рис. 1.13

1.8 Генератор с параллельным возбуждением

Рис. 1. 14. Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением: Я - якорь генератора; ОВ - обмотка возбуждения; R - регулировочный реостат.

Это генератор с самовозбуждением, обмотку возбуждения ОВ такого генератора подключают через регулировочный реостат параллельно обмотке якоря. При увеличении тока нагрузки напряжение на зажимах генератора с параллельным возбуждением уменьшается из-за падения напряжения на обмотке якоря. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение тока возбуждения и ЭДС в якоре. Поэтому при увеличении тока нагрузки напряжение на зажимах генератора с параллельным возбуждением уменьшается быстрее, чем у генератора с независимым возбуждением. Дальнейшее увеличение тока нагрузки приводит к такому сильному уменьшению тока возбуждения, что при коротком замыкании цепи нагрузки напряжение генератора падает до нуля. Поэтому короткое замыкание генератора с параллельным возбуждением неопасно. Внешняя характеристика этого генератора показана на рисунке 1.13 (кривая 2).

1.9 Генератор с последовательным возбуждением

Это также генератор с самовозбуждением, но его обмотка возбуждения ОВ включена последовательно с якорем и по обеим обмоткам протекает одинаковый ток. При отсутствии нагрузки (внешняя цепь разомкнута) в якоре все же возбуждается небольшая ЭДС вследствие остаточной индукции стального сердечника статора.

Рис. 1.15. Генератор постоянного тока с последовательным возбуждением: Я - якорь генератора; ОВ - обмотка возбуждения генератора.

При увеличении тока нагрузки напряжение на зажимах генератора сначала растет до тех пор, пока не наступит насыщение магнитной системы машины, после чего оно начинает быстро уменьшаться из-за падения напряжения на сопротивлении якоря и вследствие размагничивающего действия реакции якоря (кривая 3 на рисунке 1.13). Ввиду сильной зависимости напряжения на зажимах генератора от нагрузки генераторы с последовательным возбуждением применяются очень редко.



1.10 Генератор со смешанным возбуждением

Рис. 1.16. Генератор со смешанным возбуждением: Я - якорь генератора; R - регулировочный реостат; ОВ1 - параллельная обмотка возбуждения; ОВ2 - последовательная обмотка возбуждения.

Этот генератор также относится к генераторам с самовозбуждением, но имеет две обмотки возбуждения: ОВр которая включается параллельно якорю, и ОВ2, которая включается последовательно с якорем. Обмотки включают так, чтобы они создавали магнитные потоки одного направления, а число витков в обмотках выбирают таким, чтобы падение напряжения на внутреннем сопротивлении генератора и ЭДС реакции якоря были бы скомпенсированы ЭДС от потока параллельной обмотки. Благодаря этому напряжение на зажимах генератора со смешанным возбуждением остается практически постоянным при изменениях нагрузки в определенных пределах. Большая часть машин работает с самовозбуждением, и ток в обмотку возбуждения поступает из самой машины.

На первый взгляд, здесь имеется противоречие. Ведь если машина не возбуждена, то в якоре не может возникнуть ни ЭДС, ни ток. Спрашивается, каким же образом машина может вызвать появление тока в обмотке возбуждения? Вспомним, что однажды намагниченное железо сохраняет магнитные свойства и после того, как исчез намагничивающий ток. Сердечники, на которых расположены обмотки возбуждения, являются постоянными магнитами, хотя и очень слабыми. Начнем вращать якорь. В его обмотке появится незначительная ЭДС, а так как якорь соединен с обмоткой возбуждения, то в последней возникает незначительный ток. Но как бы слаб ни был ток возбуждения, он создает вокруг себя магнитное поле. Если направление вращения выбрано правильно, то это магнитное поле усилит поле, существовавшее ранее, ЭДС якоря возрастет, а вместе с ней будет возрастать и ток возбуждения. Такими последовательными ступенями мы доведем ток до его расчетного значения. Однако, если направление вращения выбрано ошибочно, самовозбуждение наступить не может, так как ЭДС якоря будет ослаблять то поле, которое существовало благодаря остаточному намагничиванию. В этом случае необходимо переключить концы обмоток возбуждении.



Лекция 2. Обратимость машин постоянного тока. Специальные машины

2.1 Обратимость машин постоянного тока

Всякая машина постоянного тока может работать и генератором, и двигателем. Присоединим машину с параллельным возбуждением к сети постоянного тока. Соединим щетку «+» с положительным полюсом сети, а щетку «-» с отрицательным. В якоре нашей машины потечет ток, имеющий направление, прямо противоположное току, протекающему в якоре, когда машина работала генератором. Ток в обмотке возбуждения сохранит прежнее направление. Применяя правило левой руки, можно определить направление силы, действующей теперь на якорь.

Эта сила будет стремиться вращать якорь. Об этом можно догадаться и непосредственно: в самом деле, ток теперь течет в другом направлении, чем когда машина работала генератором, а при работе генератором взаимодействие тока и магнитного поля препятствовало вращению якоря. Итак, когда мы машину постоянного тока включим в сеть, в ней потечет ток и она будет вращаться.

Посмотрим теперь, как машину постоянного тока можно перевести из условий работы двигателем в условия работы генератором.

Пусть наш двигатель присоединен к сети и не имеет никакой механической нагрузки, т. е. двигатель работает вхолостую. Скорость при этом будет такой, что наводимое напряжение будет очень мало отличаться от напряжения сети. В обмотке якоря будет протекать очень малый ток, нужный только для того, чтобы создать усилие, преодолевающее трение в самой машине. Будем раскручивать нашу машину, заставим ее вращаться быстрее. Что при этом произойдет? Напряжение, наводимое в якоре, может оказаться уже больше напряжения сети, тогда ток изменит направление. Ток будет протекать по направлению, определяемому напряжением, наводимым в якоре. Теперь снова его взаимодействие с магнитным полем будет тормозить вращение якоря.

Для вращения якоря теперь нужно затрачивать механическую мощность; ток течет в направлении, определяемом напряжением, наводимым в якоре, и, следовательно, наша машина начала работать генератором.

2.2 Двигатели постоянного тока

Принцип работы двигателя постоянного тока основан на взаимодействии проводника с током с постоянным магнитным полем электромагнитов. Если генератор включить в сеть постоянного тока, то в обмотках якоря и электромагнитов установится ток, и на каждый проводник обмотки якоря, находящийся в магнитном поле электромагнитов, начнет действовать сила, стремящаяся повернуть якорь (рис. 2.1, а). Из рисунка 2.1 видно, что при изменении направления тока только в якоре (рис. 2.1, б) или только в обмотке возбуждения (рис. 2.1, в) направление вращения якоря изменяется на противоположное. При одновременном изменении направления тока в обеих обмотках направление вращения якоря не изменяется (рис. 2.1, г). Отсюда следует, что для изменения направления вращения двигателя постоянного тока следует поменять местами либо концы обмотки якоря, либо концы обмотки возбуждения.

Если двигатель постоянного тока с сопротивлением обмотки якоря RH включить в сеть с напряжением U, то в момент пуска в якоре установится ток

2. 1

Поскольку сопротивление якоря мало, то пусковой ток в нем будет очень большим, превышая номинальный в десятки раз. От такого тока может пострадать обмотка якоря, а также коллектор и щетки. Пусковой ток можно ограничить путем включения последовательно с обмоткой якоря пускового реостата.

Рис. 2.1. Изменение направления вращения двигателя постоянного тока

В результате взаимодействия якоря с магнитным полем полюсов якорь начнет вращаться. Так как его обмотка начнет вращаться в магнитном поле, то в ней будет индуцироваться ЭДС, которая будет направлена против приложенного к двигателю напряжения. Величина этой ЭДС прямо пропорциональна числу оборотов двигателя и величине магнитного потока. Однако, в отличие от генератора, в двигателе эта ЭДС будет меньше приложенного от сети напряжения на величину падения напряжения в якоре машины:

2. 2

откуда ток в якоре при выведенном пусковом реостате будет равен:

2. 3

Умножив обе части уравнения (2.2) на Iя, получим:



2. 4

Левая часть уравнения (2.4) представляет собой электрическую мощность, потребляемую двигателем из сети, а второй член правой части IЯ2R - мощность, поглощаемую сопротивлением якоря. Очевидно, что 1яе - это полезная электрическая мощность, та часть потребляемой из сети электрической мощности, которая преобразуется двигателем в механическую (включая механические потери). Таким образом, ЭДС самоиндукции в двигателе постоянного тока влияет на преобразование потребляемой из сети электрической энергии в механическую.

Определим скорость вращения двигателя постоянного тока:

2. 5

IЯ2R - мощность, поглощаемая сопротивлением якоря;

U - подводимое напряжение; Ф - величина магнитного потока;

Мы видим, что скорость вращения двигателя прямо пропорциональна подводимому напряжению и обратно пропорциональна величине магнитного потока. Отсюда следует, что регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока можно осуществлять либо изменяя сопротивление цепи якоря (при постоянном напряжении сети), либо путем изменения магнитного потока.

2.3 Двигатели с параллельным возбуждением

Основным различием между режимами генератора и двигателя является то, что в первом случае напряжение представляет собой часть ЭДС якоря, а во втором случае имеет место обратная картина. Напряжение двигателя равно напряжению той сети, к которой он присоединен рис.2.2. Часть этого напряжения уравновешивается падением напряжения в цепи якоря (в двигателях с последовательным возбуждением в цепях якоря и возбуждения). Другая часть уравновешивается той ЭДС, которая возникает в обмотке якоря в результате его вращения. Если присоединить к сети неподвижный двигатель, то в первый момент ЭДС будет отсутствовать, и напряжение сети будет уравновешиваться лишь падением напряжения в цепи якоря. Появится так называемый пусковой ток, величина которого находится по закону Ома и намного превосходит нормальный рабочий ток двигателя.

Поэтому двигатели постоянного тока приходится снабжать пусковыми реостатами, назначение которых - снизить пусковой ток до безопасной величины. Схема включения пускового реостата Rд в цепь двигателя с параллельным возбуждением показана на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схема включения двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением: Uсети - напряжение сети; ОВ - обмотка возбуждения; Rрег - пусковой реостат; Я - якорь машины; Rдоб - дополнительный реостат; Iя - ток якоря; Iв - ток возбуждения.

Ручка реостата соединяет линию и якорь сначала через большее сопротивление, а потом по мере появления ЭДС в якорной обмотке - через меньшее. Нормально двигатель работает при положении ручки min - Обмотка возбуждения сразу оказывается под полным напряжением сети (с этой целью ручку реостата возбуждения RB надо перевести в крайнее левое положение), и момент, развиваемый двигателем, оказывается наибольшим.

Отметим теперь некоторые особенности работы рассмотренных двигателей.

Магнитный поток в двигателе с параллельным возбуждением остается приблизительно постоянным, поэтому с уменьшением нагрузки угловая скорость двигателя будет возрастать не очень резко.

В двигателе с параллельным возбуждением поток остается приблизительно постоянным независимо от величины нагрузки (потому что обмотка напряжения включена прямо на напряжение сети, остающееся приблизительно неизменным). Поэтому можно считать, что ток здесь будет прямо пропорционален тормозящему моменту.

Двигатели с параллельным возбуждением представляют собой машину, очень удобную в отношении возможности регулировать угловую скорость. Действительно, пусть, например, наша машина работает с неизменной мощностью, а это значит, что ток, подводимый к якорю, также должен оставаться приблизительно постоянным. Но для того чтобы иметь неизменный ток, нужно, чтобы оставалось неизменным и напряжение, наводимое в якоре.

Для двигателей с последовательным возбуждением остаются справедливыми все приведенные рассуждения, но мы видим, что он имеет совершенно другие характеристики (рис. 2.3).

Рис. 2.3 Пуск двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением: R - пусковой реостат; А - амперметр; М - ротор двигателя; ОВ - двигателя; U - напряжение питания.

Подобно тому, как двигатель с параллельным возбуждением идет вразнос при обрыве цепи возбуждения, двигатель с последовательным возбуждением идет вразнос, если он оставлен без нагрузки (и если последовательно с ним не включен дополнительный резистор, способный ограничить нарастающий ток).

Напротив, при увеличении нагрузки двигатель с последовательным возбуждением будет более резко снижать скорость и магнитный поток. Но зато двигатель будет значительно увеличивать вращающее усилие. Действительно, момент двигателя пропорционален произведению тока и магнитного потока, а в двигателе с последовательным возбуждением вместе с током (при увеличении нагрузки) будет расти и поток.

Сказанное здесь о двигателе с последовательным возбуждением делает понятным, почему эти двигатели оказываются очень удобными для электрической тяги: там они никогда не могут остаться без нагрузки - это первое, а второе, и главное - это то, что для целей транспорта очень важно, чтобы при трогании с места и при малой скорости двигатель развивал достаточно большой вращающий момент.

2.4 Двигатель со смешанным возбуждением

Схема включения двигателя постоянного тока со смешанным возбуждением показана на рис.2.4. На каждом полюсе такого двигателя имеются две обмотки -- параллельная и последовательная. Их можно включить так, чтобы магнитные потоки складывались (согласное включение) или вычитались (встречное включение).



Рис. 2.4. Схема включения двигателя постоянного тока смешанного возбуждения: ОВ1 - обмотка последовательная; ОВ2 - обмотка параллельная; А - амперметр; ПР - пусковой реостат; РВ - регулировочный; М - ротор; U - напряжение сети.

В зависимости от соотношения магнитных потоков обеих обмоток двигатель со смешанным возбуждением по своим свойствам приближается либо к двигателю с параллельным возбуждением, либо с последовательным.

2.5 Коммутация в машинах постоянного тока

Во время работы машины постоянного тока происходит непрерывное переключение секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую, при этом ток в переключенных секциях изменяет свое направление на противоположное. Так как время этого перехода очень мало, то скорость изменения тока в секции велика. Если учесть то, что секция размещена на стальном сердечнике (индуктивность велика), то процесс переключения секции может сопровождаться появлением в ней значительной ЭДС самоиндукции и, возможно, искрением.

Процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую и все сопровождающие его явления называют процессом коммутации. Неудовлетворительная коммутация является электрической причиной искрения. Кроме электрической причины искрения существует и механическая - ухудшение контакта между коллектором и щетками. Необходимым условием долговечности машины постоянного тока является отсутствие искрения под щетками, поскольку искры быстро разрушают пластины коллектора и щетки.

Рис. 2.5

Улучшение условий коммутации в машинах постоянного тока осуществляется, главным образом, с помощью дополнительных полюсов. Дополнительные полюсы действуют следующим образом. ЭДС самоиндукции в коммутируемых секциях возникает при прохождении этих секций вблизи геометрической нейтрали и зависит от значения тока нагрузки. Если в этот момент каким-либо дополнительным полем создать в коммутируемой секции

ЭДС, равную по величине и противоположную по направлению, то дополнительный ток при этом может быть скомпенсирован. Для создания этого дополнительного поля на геометрической нейтрали размещают дополнительные полюсы, обмотки которых включают последовательно в цепь нагрузки (рис. 2.6).



Рис. 2.6. Машина постоянного тока: Iя - Iя дополнительные полюса расположенные на геометрической нейтрали; N - S главные полюса.

Поле дополнительных полюсов индуцирует в коммутируемых секциях коммутирующую ЭДС, пропорциональную току нагрузки и компенсирующую ЭДС самоиндукции в этих секциях. При этом поле дополнительных полюсов ослабляет также и влияние реакции якоря.

У генераторов за главным полюсом по направлению его вращения размещают дополнительный полюс противоположной полярности, а у двигателей -- такой же полярности. Полярность дополнительных полюсов сохраняется и при переходе машины из режима работы генератора в режим двигателя, поскольку направление тока изменяется на противоположное.

2.6 Электромашинные усилители

Простейшим усилителем мощности является обычный генератор постоянного тока с независимым возбуждением. Коэффициент усиления машины определяется отношением тока, протекаемого в обмотке якоря, к току возбуждения:

2. 6

В таком исполнении коэффициент усиления равен порядка 15 - 30.

Усилительную способность генератора можно увеличить, если использовать каскадную схему включения генераторов. В этом случае с выхода первого генератора подключается обмотка возбуждения второго, а выход со второго генератора будет превышать по мощности вход первого в 1000 и более раз.

Каскадная схема применяется редко из-за своей громоздкости и дороговизны.

Чаще используют так называемые электромашинные усилители (ЭМУ). Электрическая схема ЭМУ приведена на рис. 2.21.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.7. Схема включения электромашинного усилителя

Конструктивно электромашинный усилитель представляет собой коллекторную машину постоянного тока с независимым возбуждением, имеющую два комплекта щеток (продольные 1 - 1' и поперечные 2 - 2').

Ток, протекающий по обмотке возбуждения Iв, создает продольный магнитный поток Фd направленный по оси полюсов машины. При вращении якоря на поперечных щетках 2 - 2' появляется ЭДС Е2 = СnФd. Так как они замкнуты накоротко, то в обмотке якоря появляется большой ток I2. Этот ток создает в обмотке якоря сильное поперечное магнитное поле реакции якоря Фq, неподвижное в пространстве и направленное по оси щеток 2 - 2'. Под действием магнитного потока Фq в якорной обмотке между щетками 1 - 1' возникает ЭДС Е1 = С n Фq >>Е2, так как Фq >>Фd. При подключении к щеткам 1 - 1' нагрузки Rн в цепи потечет ток Iя превышающий ток Iв в десятки тысяч раз. Электромашинные усилители применяют для автоматического управления мощными электродвигателями.

2.7 Одноякорные преобразователи

Для преобразования переменного тока в постоянный, используют выпрямители. Преобразование постоянного тока в переменный можно осуществить электромашинными преобразователями. Каскад из двух машин (асинхронный двигатель переменного тока и генератор постоянного тока) вполне решают эту задачу.

Но бывает ситуация, когда необходимо преобразовать постоянный ток низкого напряжения в постоянный ток повышенного напряжения. Делается это в одной комбинированной машине, состоящей из двигателя и генератора постоянного тока с общей магнитной системой. Со стороны низкого напряжения это электродвигатель, а со стороны повышенного напряжения - генератор постоянного тока с независимым возбуждением.

В одних и тех же пазах якоря преобразователя заложены самостоятельные обмотки низкого и повышенного напряжения. Концы обмоток присоединены к соответствующему коллектору (рис. 2.8), причем обмотка повышенного напряжения имеет значительно большее число проводников, чем обмотка низкого напряжения.

Одноякорные преобразователи широко применяются в авиационной технике, а также в общепромышленных установках, где первичным источником постоянного тока является аккумулятор.

Одноякорные преобразователи постоянного тока в трехфазный переменный отличаются от рассмотренного следующим:

· обмотка повышенного напряжения состоит из трех секций, смещенных друг от друга на 20°;

· выводы секционных обмоток припаяны к трем контактным кольцам и с помощью токосъемных щеток переменный ток передается к потребителю.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.8. Одноякорный преобразователь

2.8 Тахогенераторы постоянного тока

Тахогенераторами называют электрические машины малой мощности, работающие в генераторном режиме и служащие для преобразования частоты его вращения в электрический сигнал.

Тахогенераторы постоянного тока по принципу действия и конструктивному оформлению являются электрическими коллекторными машинами. Выходной характеристикой тахогенератора является зависимость величины напряжения на зажимах якоря Uя от частоты его вращения n при постоянном магнитном потоке возбуждения Ф и постоянном сопротивлении нагрузки Rнагр На рис. 2.9 показана выходная характеристика тахогенератора при различных Rнагр.

Рис. 2.9. Характеристики тахогенератора

Размещено на Allbest.ru

...