Общие сведения из теории электрических машин.

 

Рассмотрены вопросы конструкции, принципа действия машины постоянного тока. Представлены режимы работы машины с различными способами возбуждения. Указаны рабочие характеристики и приведено математическое описание магнитной и механической систем машины постоянного тока.

 

Машиной постоянного тока принято считать машину, которая генерирует в сеть или потребляет из сети постоянный ток. Конструктивно машина постоянного тока состоит из неподвижной части (индуктор) и подвижной части (якоря). Индуктор создает основной магнитный поток, а в якоре протекают процессы энергопреобразования связанные с взаимодействием тока якоря и внешнего магнитного поля. Конструктивно двигатель постоянного тока приведен на
рис. 3.32.

 

Индуктор создает основной магнитный поток в машине, для чего на него устанавливается либо постоянные магниты, либо катушки возбуждения, токи которых обеспечивают требуемое значение основного магнитного потока. В якорной обмотке протекает переменный ток, обусловленный работой щеточно-коллекторного аппарата, который представляет собой набор медных пластин толщиной 3-15 мм, изолированных друг от друга.

При вращении якоря в неподвижном магнитном поле со скоростью n в секциях обмотки наводится э.д.с., частота изменения которой определяется выражением

.                                     (3.50)

Коллектор преобразует переменную э.д.с., индуктированную в последовательно соединенных секциях якорной обмотки, в постоянную э.д.с.

Между диаметрально расположенными щетками A и B
(рис. 3.33) действует переменное напряжение, вектор которого не изменяется во времени и равен для верхней и нижней ветвей якорной обмотки величине E.

При одинаковых параметрах нижней и верхней ветвей якорной обмотки и разомкнутой внешней цепи ток в обеих ветвях равен нулю, т.к. э.д.с., действующие в этих ветвях, направлены друг к другу и равны. Максимальное значение э.д.с. будет в случае установки щеток по линии геометрической нейтрали. При вращении якоря машины вектор э.д.с. E изменяться не будет, а величина его модуля определяется по выражению:

,                                           (3.51)

где  - конструктивный коэффициент, определяемый параметрами машины постоянного тока и не зависящий от режима ее работы;  - число параллельных ветвей; N –число активных проводников якорной обмотки.

Электромагнитный момент машины постоянного тока M можно определить по формуле:

                                   ,                                         (3.52)

где - ток якорной цепи; - конструктивный коэффициент машины.

Направление тока якоря зависит от режима работы машины, поэтому момент двигателя может быть либо тормозным (генераторный режим) либо вращающим (двигательный режим).

Двигатели постоянного тока могут быть независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

 

 

 

С независимым возбуждением выполняются мощные двигатели с целью более удобного и экономичного регулирования тока возбуждения.

В двигателе с последовательным возбуждением поток и момент зависят от тока якоря:

 

.                    (3.53)

 

В области малых моментов механическая характеристика двигателя постоянного тока последовательного возбуждения носит гиперболический характер, что делает необходимым исключение данного режима работы.

У двигателей с независимым возбуждением , а у двигателей последовательного возбуждения , благодаря этому пусковой момент последних значительно выше, что делает целесообразным применение этих двигателей для нужд тягового электропривода.

Двигатели смешанного возбуждения используются в тех случаях, когда по условиям технологического процесса необходима механическая характеристика, имеющая форму между жесткой – двигателя с независимым возбуждением и мягкой – двигателя с последовательным возбуждением. Достоинством двигателя смешанного возбуждения является ограничение скорости холостого хода машины.

Механические характеристики двигателей постоянного тока с различными способами возбуждения приведены на рис. 3.35.

По своим характеристикам двигатели постоянного тока параллельного возбуждения близки к двигателям с независимым возбуждениям.

 

 

Математическое описание двигателя постоянного тока с независимым возбуждением выражается системой уравнений (3.54):

,                        (3.54)

где - суммарное сопротивление якорной цепи и сопротивление обмотки возбуждения.

Уравнение для определения механической характеристики можно получить из второго и третьего уравнения системы (3.55):

 

.                        (3.55)

 

Включение в цепь якоря добавочного сопротивления, изменение потока и изменение напряжения влияют на вид механической характеристики.

Увеличение напряжения на якоре для регулирования скорости выше номинальной, как правило, не используется, т.к. оно приводит к коммутационным осложнениям в работе коллектора.

Механическая характеристика двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением при различной величине сопротивления в цепи якоря и величины питающего напряжения носит нелинейный характер [6].

 

 

 

Регулирование скорости вращения увеличением сопротивления в цепи якоря на современном этапе развития электротехнических устройств используется редко, т.к. ухудшает энергетические характеристики привода, выполненного на основе двигателей постоянного тока.

 

 

Рабочие характеристики двигателя постоянного тока представляют собой зависимости момента, скорости вращения, тока якоря и коэффициента полезного действия от выходной мощности двигателя. Для двигателей с независимым и последовательным возбуждением качественный вид этих характеристик приведен на рис. 3.38.

 

 

 

 

Вопросы для самопроверки.

1. Назначение, область применения, конструкция и принцип действия двигателя постоянного тока.

2. Приведите способы возбуждения двигателя постоянного тока.

3.Укажите механическую характеристику двигателя постоянного тока при различных способах возбуждения.

4.Укажите рабочие характеристики двигателя постоянного тока.

5.Назвовите преимущества различных способов возбуждения двигателя постоянного тока.