История развития машин постоянного тока.

История развития машин постоянного тока.

Развитие машин постоянного тока идет в сторону создания как машин малых мощностей (микродвигателей), так и крупных машин предельной мощности.

В процессе развития машин постоянного тока было предложено много разнообразных форм конструктивного их исполнения, однако к настоящему времени сохранились лишь некоторые из них. Так как основной задачей настоящего курса является изучение устройства и свойств главным образом малых электрических машин в диапазоне мощностей до нескольких сотен ватт, а также близких к ним по мощности нормальных машин (до нескольких киловатт), то далее кратко рассматривается конструктивное устройство именно этих машин.

В первый период развития машины постоянного тока приобрели некоторое значение так называемые разомкнутые обмотки, но в настоящее время они имеют только исторический интерес.

Второй и третий этапы развития машины постоянного тока, охватывающие время с 1851 по 1871 г., характеризуются переходом к машинам электромагнитного типа, сначала с независимым возбуждением, а затем с самовозбуждением, а также переход от двухполюсной машины к многополюсной.

Изобретение кольцевого якоря (1859 г.) имело большое значение в развитии машин постоянного тока, так как он был значительно совершеннее ранее применявшихся. Кольцевые якори в настоящее время не применяются, их можно встретить только в старых машинах. Однако обмотки кольцевого якоря являются наиболее простыми для понимания, а потому знакомство с ними весьма полезно для изучения более сложных обмоток современных барабанных якорей.

История развития электромашиностроения, начиная со времени открытия Фарадеем закона электромагнитной индукции (1831 г.) и до середины 80 - х годов прошлого столетия, представляет по существу историю развития машины постоянного тока. За это время она прошла четыре этапа развития, а именно: 1) машины магнитоэлектрического типа с постоянными магнитами, 2) машины электромагнитного типа с независимым возбуждением, 3) машины того же типа с самовозбуждением и элементарным типом якоря и 4) машины многополюсного типа с усовершенствованным якорем.

Несмотря на длительный период развития машин постоянного тока, по масштабам применения они уступают более простым, надежным и дешевым машинам переменного тока.

Режим работы электрических машин устанавливает потребитель (заказчик), который может описывать режим одним из следующих способов:

а) численно, когда нагрузка не изменяется или изменяется известным образом;

б) временным графиком переменных величин;

в) путем выбора одного из типовых режимов от S1 до S10, не менее тяжелого, чем ожидаемый режим в эксплуатации.

Типовой режим должен быть обозначен соответствующей аббревиатурой, согласно 4.2, записанной после номинальной (базовой) нагрузки.

Выражения для коэффициента циклической продолжительности включения приведены на рисунках 1 - 10, соответствующих каждому типовому режиму.

Типовые режимы.

Типовые режимы от S1 до S10 установлены специально для применения к двигателям, однако некоторые из них могут быть также применены для характеристики режима работы генераторов, например S1, S2, S10.

4.2.1 Типовой режим S1 - продолжительный режим.

Режим работы электрических машин с постоянной нагрузкой и продолжительностью, достаточной для достижения практически установившегося теплового состояния (рисунок 1). Условное обозначение режима - S1.

Р - нагрузка; Р_э - электрические потери; Θ - температура;
Θ_max - достигнутая максимальная температура; t - время

Рисунок 1.

Конструктивные формы электрических машин.

Конструктивные формы исполнения электрических машин определяются степенью защиты, способами охлаждения и монтажа, воздействием климатических факторов окружающей среды и категорией мест размещения электрических машин при эксплуатации.

Степени защиты электрических машин для обслуживающего персонала и от попадания внутрь твердых тел и воды регламентированы ГОСТ 17494—72. Условное обозначение степени защиты состоит из двух букв IP (начальные буквы английских слов International protektion) и двух цифр. Первая цифра обозначает степень защиты персонала от соприкосновения с токоведущими и вращающимися частями и от попадания внутрь машины твердых тел; вторая цифра обозначает степень защиты от проникновения воды внутрь машины

Возбуждений.

3. Обмотки машин постоянного тока.

В современных машинах постоянного тока якорная обмотка укладывается в пазах на внешней поверхности якоря. Такие обмотки называются барабанными. Основным элементом обмотки якоря является секция. Секция состоит из одного или нескольких витков и присоединяется своими концами к коллекторным пластинам. Между собой секции соединяются последовательно, образуя замкнутую обмотку.

В зависимости от внешнего очертания схемы соединения секций обмотки якоря подразделяются на петлевые и волновые (рис. 6.2).

Построить простую петлевую обмотку Z=12, p=2.

Сложные обмотки.

Чтобы изготовлять сложные обмотки, применяемые в современных электрических машинах, надо не только уметь выполнять те или иные производственные процессы, но и знать теорию обмоток, их схемы, изоляцию и назначение.

Как правило, простые петлевые обмотки и сложные обмотки (петлевые и волновые) имеют уравнительные соединения. Простые волновые и комбинированные обмотки изготовляют без уравнительных соединений. Различают уравнительные соединения первого и второго рода.

4. ЭДС, индуктируемая в обмотке якоря машин постоянного тока.

Соединим проводники между собой так, чтобы ЭДС в них складывались. Для этого соединяют последовательно конец проводника, расположенного в зоне одного полюса с концом проводника, расположенного в зоне полюса противоположной полярности.

Два проводника, соединенные последовательно, образуют один виток или одну катушку. ЭДС проводников, расположенных в зоне одного полюса, различны по величине. Наибольшая ЭДС индуктируется в проводнике, расположенном под срединой полюса, ЭДС, равная нулю, - в проводнике, расположенном на линии геометрической нейтрали.

Если соединить все проводники обмотки по определенному правилу последовательно, то результирующая ЭДС якорной обмотки равна нулю, ток в обмотке отсутствует. Контактные щетки делят якорную обмотку на две параллельные ветви. В верхней параллельной ветви индуктируется ЭДС одного направления, в нижней параллельной ветви - противоположного направления. ЭДС, снимаемая контактными щетками, равна сумме электродвижущих сил проводников, расположенных между щетками.

В параллельных ветвях действуют одинаковые ЭДС, направленные встречно друг другу. При подключении к якорной обмотке сопротивления в параллельных ветвях возникают одинаковые токи , через сопротивление R_H протекает ток I_Я.

ЭДС якорной обмотки пропорциональна частоте вращения якоря n2 и магнитному потоку индуктора Ф:

где С_е - константа.

В общем случае

где r_a, r_д, r_с, r_к — сопротивления обмоток якоря, добавочных полюсов, последовательной обмотки возбуждения и компенсационной обмотки.

Поскольку E_a=c_enФ, то уравнение электрического равновесия генератора записывается в виде

Умножив обе части выражения на ток I_a, получим уравнение мощности генератора

де UI_a= P₂ – полезная мощность, отдаваемая генератором подключенным потребителям; E_aI_a=P_эм – электромагнитная мощность генератора;

- потери в цепи якоря.

5.Магнитная цепь машин постоянного тока.

Магнитная цепь машины предназначена для создания и распределения магнитного поля в воздушном зазоре и состоит из главных полюсов, сердечника якоря, воздушного зазора между полюсами и якорем и ярма (станины). В зависимости от числа главных полюсов магнитная система может быть двух-, четырех-, шестиполюсной и т.д. Распределение магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре характеризуется кривой В (α), где α – дуга окружности якоря. Почти постоянное значение индукции В в воздушном зазоре необходимо для получения примерно постоянной ЭДС в проводниках, находящихся под полюсом, и оно обеспечивается специальной формой полюсных наконечников.

Линии симметрии m, n, делящие пространство между полюсами пополам, называются геометрическими нейтральными линиями, а линии, проходящие через точки, где В = 0, — физическими нейтральными линиями (в данном случае геометрическая и физическая нейтральные линии совпадают). Дуга между соседними нейтральными линиями называется полюсным делением. Она обозначается буквой τ и может выражаться в метрах, градусах, радианах, числе пазов и в других удобных для расчета единицах.

Характеристика намагничивания, которая представляет зависимость напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора тока от проходящего по ней тока намагничивания, является основной характеристикой, определяющей исправность трансформатора тока, а также возможность его применения в различных схемах релейной защиты.

Характеристика намагничивания В / (Я) ферромагнитного материала, из которого изготовлен сердечник катушки (см. рис. 3.3, б), известна.

Характеристика намагничивания, представляющая зависимость напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора тока от тока намагничивания, является основной характеристикой, по которой можно определить исправность трансформатора тока, а также возможность его применения в различных схемах релейной защиты.

Характеристика намагничивания, представляющая зависимость напряжения на зажимах реле f / p от намагничивающей силы awu, снимается для проверки исправности магнитной системы и обмоток реле. При снятии характеристики изменяется величина тока, подаваемого в первичную обмотку РНТ. Первичная намагничивающая сила подсчитывается умножением первичного тока на число витков первичной обмотки. При снятии характеристики намагничивания реле РНТ-562 удобно использовать 30 витков, а у реле РНТ-563-150 витков.

Характеристика намагничивания представляет собой зависимость напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора тока от протекающего по ней тока намагничивания. По характеристике намагничивания определяют однотипность трансформаторов тока, что важно знать при использовании их для дифференциальной 3 защиты.

Характеристики намагничивания снимают при максимальном, нулевом и двух промежуточных значениях воздушного зазора. Зазор устанавливают с помощью деревянных прокладок, регулируя ток от нуля до номинальной величины.

Коэффициент насыщения.

Коэффициент насыщения при этом достаточно высокий. Применение алитового цемента обеспечивает высокую производительность формовочных машин, а также обусловливает интенсивное нарастание прочности как в ранние (на заводе), так и в поздние (в эксплуатации) сроки твердения.

Коэффициент насыщения при этом достаточно высокий. Применение алитового цемента обеспечивает высокую производительность формовочных машин, а также обусловливает интенсивное нарастание прочности как в ранние (на заводе), так и в поздние (в эксплуатации) сроки твердения.

Для устранения влияния реакции якоря на статор коллекторного двигателя помещается компенсационная обмотка, магнитный поток которой направлен встречно потоку реакции якоря. Компенсационная обмотка может быть соединена последовательно с якорем, может иметь с якорем трансформаторную связь; кроме того, может быть на статоре одна обмотка, являющаяся одновременно и обмоткой возбуждения, и компенсационной.

Для количественного учета влияния реакции якоря на магнитное поле машины обычно МДС F разлагают на две составляющие: продольную F d F a sin ф, максимум которой совпадает с осью полюсов, и поперечную F Fa cos ф, максимум которой совпадает с осью, проходящей через середину межполюсного пространства. ЭДС Е0 - Магнитодвижущие силы якоря и обмотки возбуждения имеют различное пространственное распределение, и поэтому одинаковые их значения создают различные потоки. Для удобства совместного рассмотрения одну из МДС необходимо привести к другой. Так как обычно при расчетах используется характеристика холостого хода, то целесообразно синусоидальные МДС якоря привести к прямоугольной МДС обмотки возбуждения.

Для количественного учета влияния реакции якоря на магнитное поле машины обычно МДС Fa разлагают на две составляющие: продольную Ft i siny, максимум которой совпадает с осью полюсов, и поперечную Fq ivcosy, максимум которой совпадает с осью, проходящей через середину межполюсного пространства. Угол у является углом между током / ф и ЭДС Ео. Магнитодвижущие силы якоря и обмотки возбуждения имеют различное пространственное распределение, и поэтому одинаковые их значения создают различные потоки. Для удобства совместного рассмотрения одну из МДС необходимо привести к другой. Так как обычно при расчетах используется характеристика холостого хода, то целесообразно синусоидальные МДС якоря привести к прямоугольной МДС обмотки возбуждения.

Рассмотрим вопросы количественного учета влияния реакции якоря на магнитный поток машины. При этом для простоты примем следующие допущения: 1) якорь не имеет пазов, однако влияние пазов на магнитное сопротивление зазора учитывается введением в рассмотрение эквивалентного воздушного зазора; 2) проводники якоря распределены равномерно по окружности якоря. Получаемые при этом результаты достаточно точны для практических целей.

Геометрическая нейтраль п - п - линия, перпендикулярная оси полюсов и разделяющая на дуге якоря области северного и южного полюсов, совпадает в этих условиях с физической нейтралью - линией, проходящей через точки окружности якоря, где магнитная индукция равна нулю. Щетки, условно показанные опирающимися на якорь (хотя фактически они установлены на коллекторе), находятся на геометрической нейтрали.

Определение положения геометрической нейтрали основано на том, что в электродвигателях с добавочными полюсами сдвиг щеток с геометрической нейтрали против направления вращения якоря приводит вследствие ослабления результирующего магнитного поля к увеличению скорости, а при сдвиге щеток по направлению вращения вследствие намагничивания - к уменьшению скорости вращения якоря.

Определение положения геометрической нейтрали основано на том, что в двигателях с добавочными полюсами сдвиг щеток с геометрической нейтрали против направления вращения якоря приводит к ослаблению результата.

Щетки на геометрическую нейтраль устанавливают методом максимального напряжения, максимальной частоты вращения или индукционным способом. К проверке приступают только при соответствии указанных параметров установленным нормам. Сущность метода максимального напряжения состоит в том, что при вращении машины и перемещении траверсы выбирают положение, соответствующее максимальному напряжению. Метод максимальной частоты вращения заключается в изменении частоты вращения якоря на вращающемся с установленным режимом электродвигателе при вращении в обоих направлениях.

Для устранения влияния реакции якоря на статор коллекторного двигателя помещается компенсационная обмотка, магнитный поток которой направлен встречно потоку реакции якоря. Компенсационная обмотка может быть соединена последовательно с якорем, может иметь с якорем трансформаторную связь; кроме того, может быть на статоре одна обмотка, являющаяся одновременно и обмоткой возбуждения, и компенсационной.

Для количественного учета влияния реакции якоря на магнитное поле машины обычно МДС F разлагают на две составляющие: продольную F d F a sin ф, максимум которой совпадает с осью полюсов, и поперечную F Fa cos ф, максимум которой совпадает с осью, проходящей через середину межполюсного пространства. ЭДС Е0 - Магнитодвижущие силы якоря и обмотки возбуждения имеют различное пространственное распределение, и поэтому одинаковые их значения создают различные потоки. Для удобства совместного рассмотрения одну из МДС необходимо привести к другой. Так как обычно при расчетах используется характеристика холостого хода, то целесообразно синусоидальные МДС якоря привести к прямоугольной МДС обмотки возбуждения.

Для количественного учета влияния реакции якоря на магнитное поле машины обычно МДС Fa разлагают на две составляющие: продольную Ft i siny, максимум которой совпадает с осью полюсов, и поперечную Fq ivcosy, максимум которой совпадает с осью, проходящей через середину межполюсного пространства. Угол у является углом между током / ф и ЭДС Ео. Магнитодвижущие силы якоря и обмотки возбуждения имеют различное пространственное распределение, и поэтому одинаковые их значения создают различные потоки. Для удобства совместного рассмотрения одну из МДС необходимо привести к другой. Так как обычно при расчетах используется характеристика холостого хода, то целесообразно синусоидальные МДС якоря привести к прямоугольной МДС обмотки возбуждения.

Рассмотрим вопросы количественного учета влияния реакции якоря на магнитный поток машины. При этом для простоты примем следующие допущения: 1) якорь не имеет пазов, однако влияние пазов на магнитное сопротивление зазора учитывается введением в рассмотрение эквивалентного воздушного зазора; 2) проводники якоря распределены равномерно по окружности якоря. Получаемые при этом результаты достаточно точны для практических целей.

Электромагнитный момент Мэм, вызванный взаимодействием магнитного потока и тока якоря, отличается от момента М, развиваемого машиной на валу, вследствие трения в подшипниках, вращающегося якоря о воздух и вентиляционных потерь. Так как указанные два момента отличаются незначительно, будем в дальнейшем считать их равными и обозначать М.

Решение этого уравнения

где С - постоянная, определяемая начальными условиями;

- разность частных производных электромагнитного и внешнего моментов.
Решение будет устойчивым ( при ), если , т.е. .
Для постоянной нагрузки характеристика 1' не удовлетворяет этому условию.
В двигателях последовательного возбуждения результирующий поток пропорционален току якоря,
,
а электромагнитный момент пропорционален квадрату тока якоря,
.
С учетом этих соотношений уравнение механической характеристики двигателя последовательного возбуждения приобретает вид
.

Этому уравнению соответствует кривая 2 (рис. 6.42), имеющая гиперболический характер. При частота вращения якоря , поэтому двигатели последовательного возбуждения не могут работать в режиме холостого хода.
Вместе с тем квадратичная зависимость электромагнитного момента от тока якоря дает важное преимущество двигателям последовательного возбуждения при перегрузках перед двигателями параллельного возбуждения, момент которых является линейной функцией тока . Это преимущество особенно существенно при пуске, так как при одном и том же пусковом токе () двигатели последовательного возбуждения развивают больший момент, чем двигатели параллельного возбуждения. Поэтому двигатели последовательного возбуждения получили широкое применение на транспортных установках, где пусковой режим является одним из основных режимов работы.
Механическая характеристика двигателя смешанного возбуждения (кривая 3 рис. 6.42) занимает промежуточное положение. Обладая близкими с двигателями последовательного возбуждения свойствами при перегрузках, двигатели смешанного возбуждения могут работать и при малых нагрузках, что позволяет осуществить рекуперацию энергии в сеть при (рис. 6.42), так как машина переходит в генераторный режим (). Это свойство можно использовать в транспортных установках при движении с горы, создавая тормозной момент и одновременно возвращая в сеть запасенную кинетическую энергию.

Искрение щеток может быть вызвано множеством причин, которые требуют от обслуживающего персонала внимательного наблюдения за системой скользящего контакта и щеточного аппарата. К основным из этих причин относятся механические (механическое искрение) и электромагнитные (электромагнитное искрение).

Механические причины, вызвавшие искрение, не зависят от нагрузки. Искрение щеток можно уменьшить, повышая или снижая давление на щетки, и, если возможно, снижая окружную скорость.

Если в обмотке и уравнителях произойдет замыкание, нарушится пайка или возникнет прямой обрыв, искрение будет неравномерным под щетками, а подгоревшие пластины расположатся по коллектору на расстоянии одного полюсного деления.

Если щетки под бракетом одного полюса искрят больше, чем под бракетами других полюсов, значит, произошло витковое или короткое замыкание в обмотках отдельных главных или добавочных полюсов; неправильно расположены щетки или ширина их больше допустимой.

Кроме того, в машинах постоянного тока могут наблюдаться дополнительные нарушения:

смещение щеточной траверсы с нейтрали вызывает искрение и нагрев щеток и коллектора;

деформация скользящей поверхности коллектора вызывает вибрацию и искрение щеток;

не симметрия магнитного поля вызывает снижение порога реактивной ЭДС, ухудшает коммутирующую способность машины, что, в свою очередь, вызывает искрение щеток.
Магнитное поле машины симметрично, если строго соблюдаются правильный шаг по окружности между наконечниками главных и дополнительных полюсов и выдержаны расчетные зазоры под полюсами.

Оценка искрения.

Оценка степени искрения по зрительному впечатлению вносит некоторую субъективность в результаты. Для объективной оценки степени искрения предложен ряд фотоэлектрических приборов и приборов, реагирующих на высокочастотную составляющую напряжения между щеткой и сбегающей коллекторной пластиной.

Автор присутствовал при проведении опыта и был очень поражен весьма существенной разницей в оценке степени искрения щеток отдельными лицами. На основе этого опыта можно заключить, что площадь зоны подпитки, снятая визуально по методу В. Т. Касьянова с какой-либо балльностью искрения, не может являться показателем качества коммутации. А между тем очень часто приходится снимать зону не безыскровую, а соответствующую баллам искрения 1 Д и даже 1 / 2 - Поэтому в тех случаях, когда подобного рода зоны подпитки снимают для выяснения степени эффективности каких-либо мероприятий, проведенных с целью улучшения коммутации, то при этом отметка степени искрения по прибору является единственной практически возможной.

Различного рода фотоэлектрические индикаторы искрения представляют собой несомненно полезные приборы при наладке коммутации коллекторных машин, однако попытки использовать их для оценки степени искрения по ГОСТ 183 - 55 вряд ли могут оказаться успешными из-за перечисленных в начале настоящего параграфа особенностей рассматриваемого метода. Нельзя игнорировать при этом то важное обстоятельство, что недопустимая степень искрения по ГОСТ оценивается преимущественно по наличию несмываемых нагаров на контактных поверхностях, что требует непосредственного их осмотра.

Что касается численных значений индекса коммутации для приведенного ряда марок, то испытания не дали для него однозначных величин. Объясняется это как субъективностью метода оценки степени искрения, по которому определяются границы зон, так и вероятностным характером распределения величины N. Для получения более, точных и надежных экспериментальных значений N необходимы дальнейшие массовые испытания по описанному методу. Таким образом, получается, что значение индекса коммутации, а следовательно, и коммутирующие свойства электрощеток достаточно определенно связаны с их составом. Минимумом коммутирующих свойств обладают марки, в состав которых входит натуральный графит. По мере замещения графита коксом и в особенности сажей коммутирующие свойства начинают повышаться, достигая максимума у марок, состоящих в основном из сажи.

Большое количество новых методов, а также существующих модификаций объясняется тем, что, во - первых, безыскровая зона может быть снята не для всех машин (в некоторых случаях приходится зону снимать для 2-балльного искрения), а во-вторых, безыскровая зона не всегда является хорошим показателем устойчивости коммутации, так как в некоторых случаях начавшееся искрение очень сильно прогрессирует, а поэтому, помимо безыскровой зоны, желательно снимать и зоны для различных степеней искрения щеток. Снятие же зон для определенных баллов искрения при оценке степени искрения щеток на глаз сводит практически значение зоны подпитки как показателя качества коммутации к нулю, так как различные настройщики коммутации весьма по-разному определяют балльность искрения.

Основными ГОСТ на электрические машины являются ГОСТ 183 - 74 и 11828 - 75, в которых изложены общие технические требования к электрическим машинам. К общим техническим требованиям относятся: номинальные данные, характеризующие работу машины; номинальные режимы работы; предельные отклонения напряжения при сохранении номинальной мощности; требования к перегрузке по току, повышению частоты вращения; предельные допускаемые превышения температуры частей электрических машин; требования к электрической прочности изоляции; оценка степени искрения на коллекторе; допускаемые отклонения показателей от номинальных значений; правила приемки и маркировка электрических машин и методы испытаний.

Прямолинейная коммутация.

Замедленная коммутация.

При ∑e > 0 ток iк.д складывается с основным током коммутации, который можно принять линейным. При этом получается случай так называемой замедленной коммутации (рисунок 5, а), когда изменение тока i в начале коммутации происходит медленно и ускоряется к концу.

Рисунок 5. Замедленная (а) и ускоренная (б) коммутация.

Ускоренная коммутация.

Ускоренная коммутация - коммутация коллекторной машины, при которой средняя скорость изменения тока в коммутирующей секции в первую половину периода коммутации больше чем во вторую.

Рисунок 9. Нагрузочная характеристика генератора независимого возбуждения.

Рис. 10

Вторым условием является согласное включение обмотки возбуждения. Обмотки возбуждения и якоря должны быть соединены таким образом, чтобы ЭДС якоря создавала ток, усиливающий остаточный магнитный поток. Усиление магнитного потока приведет к увеличению ЭДС. Машина самовозбуждается и начинает устойчиво работать с каким-то током возбуждения Iв = const и ЭДС Е = const, зависящими от сопротивления Rв в цепи возбуждения.

Третьим условием является то, что сопротивление цепи возбуждения при данной частоте вращения должно быть меньше критического. Изобразим на рис. 11 характеристику холостого хода генератора E = f (Iв) (кривая 1) и вольт - амперную характеристику сопротивления цепи возбуждения Uв = Rв·Iв, где Uв - падение напряжения в цепи возбуждения. Эта характеристика представляет собой прямую линию 2, наклоненную к оси абсцисс под углом γ (tg γ ~ Rв).

В зависимости от соотношения МДС последовательной обмотки возбуждения Fc и размагничивающей составляющей реакции якоря Fqd нагрузочная характеристика может располагаться или выше, или ниже характеристики холостого хода. При достаточно сильной последовательной обмотке нагрузочная характеристика 2 идет выше характеристики холостого хода.

Регулировочная характеристика Iв=f(I) при U=const у генератора смешанного возбуждения зависит от вида внешней характеристики.

Генераторы смешанного возбуждения при встречном включении обмоток применяются относительно редко. У этих генераторов последовательная обмотка будет создавать МДС, направленную так же, как и МДС размагничивающей составляющей реакции якоря. Под их совместным размагничивающим действием результирующий поток возбуждения машины с ростом тока нагрузки будет уменьшаться. В результате этого внешняя характеристика такого генератора будет иметь резко падающий характер.

Одновременно при вращении якоря в магнитном поле в сердечнике его индуктируются вихревые токи. Потери на гистерезис и вихревые токи, называемые потерями в стали, обращаются в тепло и нагревают сердечник якоря.

Магнитная индукция определяет эдс машины или, иначе, напряжение, а частота перемагничивания зависит от частоты вращения якоря. Поэтому при работе машины постоянного тока в режиме генератора или двигателя потери в стали будут постоянными, не зависящими от нагрузки, если напряжение на зажимах якоря и частота его вращения постоянны.

Ко второй составляющей относятся потери энергии на нагревание проводов обмоток возбуждения и якоря проходящими по ним токами, называемые потерями в меди, - Робм.

Потребляемая мощность

P1 = P2 + Pст + Pобм + Pмех = UI + Pст + Pобм + Pмех

и кпд = (UI/(UI + Pст + Pобм + Pмех)) x 100%.

Полезная мощность

P2 = P1 - Pст - Pобм - Pмех = UI - Pст - Pобм - Pмех

И кпд

= ((UI - Pст - Pобм - Pмех)/UI) x 100%.

Рис. 1 — Схема электродвигателя последовательного возбуждения.

Скоростная характеристика представляет зависимость n=f (Ia) при U=Uн. Она не может быть точно выражена аналитически во всем диапазоне изменения нагрузки от холостого хода до номинальной из-за отсутствия прямой пропорциональной зависимости между Ia и Ф. Приняв допущение Ф=кIa, запишем аналитическую зависимость скоростной характеристики в виде

.

При увеличении тока нагрузки гиперболический характер скоростной характеристики нарушается и приближается к линейному, так как при насыщении магнитной цепи машины с увеличением тока Ia магнитный поток остается практически постоянным (рис. 2). Крутизна характеристики зависит от величины Σr.

Рис. 2 — Скоростные характеристики двигателя последовательного возбуждения.

Моментная характеристика — это зависимость M=f (Ia) при U=Uн. Если предположить, что магнитная цепь не насыщена, то Ф=кIa и, следовательно, имеем

М=смIaФ=смкIa2

Рис. 1 — Схема двигателя параллельного возбуждения.

Ток, потребляемый двигателем из сети, определяется суммой I=Ia+Iв, ток возбуждения обычно равен Iв=(0,03...0,04) Iн. Все характеристики двигателя снимаются при постоянных сопротивлениях в цепях возбуждения rв=const и якоря

Σr = const.

Скоростная характеристика.

Зависимость n=f (Ia) при Uн=const и Iв=const

Имеем

.

Рис. 2 — Характеристики двигателя параллельного возбуждения.

Моментная характеристика – это зависимость М=f (Ia) при rв=const, U=Uн и Σr=const. В установившемся режиме работы двигателя согласно

.

имеем Mэм = M2+M0 = смIaФ. Если бы в процессе работы машины поток Ф не изменялся, то моментная характеристика представляла бы собой прямую (характеристика 4, рисунок 2). В действительности поток Ф с ростом тока Ia несколько уменьшается из-за размагничивающего действия реакции якоря, поэтому моментная характеристика слегка наклонена вниз (кривая 5). Характеристика полезного момента располагается ниже кривой электромагнитного момента на величину момента холостого хода (кривая 6).

Характеристика КПД η=f (Ia) снимается при U=Uн, rв=const, Σr=const и имеет типичный для электродвигателей вид (характеристика 7 на рис. 2). КПД быстро растет при увеличении нагрузки от холостого хода до 0,25Рн, достигает максимального значения при Р=(0,5...0,75) Рн, а затем до Р=Рн остается почти неизменным. Обычно в двигателях малой мощности η=0,75...0,85, а в двигателях средней и большой мощности η=0,85...0,94.

Механическая характеристика представляет зависимость n=f (M) при U=Uн, Iв=const и Σr=const. Аналитическое выражение для механической характеристики можно получить из уравнения ЭДС электродвигателя

.

Определив ток Iа из выражения М = сеIaФ и подставив это значение тока в выражение выше, получим

.

Рис. 3 — Механические характеристики двигателя параллельного возбуждения.

Следует помнить, что при обрыве цепи возбуждения Iв=0 обороты двигателя n→∞, т.е. двигатель идет «вразнос», поэтому его необходимо немедленно отключить от сети.

С увеличением нагрузки результирующий магнитный поток при согласном включении обмоток возрастает, но в меньшей степени, чем у двигателя последовательного возбуждения, поэтому скоростная характеристика в этом случае оказывается более мягкой, чем у двигателя параллельного возбуждения, но более жесткой, чем у двигателя последовательного возбуждения.

Соотношение между МДС обмоток может меняться в широких пределах. Двигатели со слабой последовательной обмоткой имеют слабо падающую скоростную характеристику (кривая 1, рис. 2).

Рис. 2 — Скоростные характеристики двигателя смешанного возбуждения.

Чем больше доля последовательной обмотки в создании МДС, тем ближе скоростная характеристика приближается к характеристике двигателя последовательного возбуждения. На рис.2 линия