Исследование машины постоянного

Тока с независимым возбуждением (МПТНВ)

Теоретическая часть

В машинах постоянного тока, преобразовывающих механическую энергию вращения в электрическую и наоборот, используются специальные схемы соединения электрообмоток якоря, коллекторно-щеточные узлы и системы электромагнитного возбуждения, которые создают в зоне якорной обмотки постоянное магнитное поле.

 

Рассмотрим простейшую электрическую машину постоянного тока с электромагнитным возбуждением в виде двухполюсного электромехани­ческого преобразователя с 8 стержнями якорной обмотки, соединенной, как показано на рис.1.1.

 

Рис 2.1 Схема электрической машины постоянного тока

 

При вращении вала машины со скоростью ω₂ и положении переключателя SА в средней позиции, якорь 2, в обмотке которого должна создаваться ЭДС, находясь в постоянном магнитном поле системы возбуждения 1, стержнями 1-8 пересекает линии магнитного потока Ф. Возникающие при этом в стержнях якоря ЭДС имеют переменные направления, которые могут быть определены по правилу правой руки: в стержнях 1-4- из-за плоскости рисунка 1.1, а в стержнях 5-8 - на плоскость рисунка 1.1; при повороте якоря на угол одного шага расположения стержней - в стержнях 2-5 и 6-1; на два шага - в стержнях обмотки 3-6 и 7-2 ит.д. Однако суммарная ЭДС машины при идентичности стержней постоянна и равна суммам: в контуре АВС (см.формулу 1.1)и в контуре АДС (см.формулу1.2),причем е_АВС = е_АДС

е_авс = е₁+е₆+е₃+е₈ (2.1)

е_АДС = е₄ + е₇ + е₂ + е₅ (2.2)

Все машины постоянного тока (МПТ) с электромагнитным возбуждением делятся на генераторы (ГПТ) и двигатели (ДПТ), при этом и ГПТ, и ДПТ по системам возбуждения делятся на машины с независимым возбуждением МПТНВ (рис.1.2,а), последовательным или сериесным МПТПВ (рис.1.2,б), параллельным или шунтирующим МПТШВ (рис.1.2,в) и смешанным МПТСВ (рис.1.2,г) самовозбуждением. Самовозбуждение МПТ осуществляется за счет остаточного намагничивания магнитопровода системы возбуждения.

В машинах постоянного тока ЭДС и токи в якорной обмотке являются переменными, а во внешней цепи - выпрямленными одной полярности. Такие машины обратимы, они могут работать как генератором, так и двигателем. При постоянном магнитном потоке их вращающие моменты и ЭДС соответственно пропорциональны току и скорости.

Технические возможности МПТ определяются их электромеханическим состоянием и статическими характеристиками: внешними, регулировочными, рабочими и механическими. Зависимость КПД от нагрузки определяется скоростью постоянных (магнитных) и переменных (электрических и механических) потерь в машине.

 

Рис.2.2 Схемы возбуждения машин постоянного тока

 

При наличии магнитного потока возбуждения Ф, замыкании зажимов щ1 и щ2 переключателем SА на внешнее сопротивление R_n (см. рис.1.1) и вращении якоря МПТ первичным двигателем, например, турбиной со скоростью ω, во внешней электроцепи возникает "постоянный", выпрямленный ток I, причем напряжение на клеммах щ1 и щ2 по II закону Кирхгофа определяется по формуле 1.3

(2.3)

где R₀ - внутреннее сопротивление электрической машины, сопротивление обмоток якоря и системы возбуждения. При этом механическая энергия первичного двигателя W_м=М•ω•t преобразуется в такой машине в электрическую энергию постоянного тока R_П•I². Машина генерирует энергию W_е=U•I•t и работает под нагрузкой Ре = = R_П•I² =U•I, причем ЭДС является активной силой. В этом случае МПТ работает в режиме генератора и ее состояние определяется равенством (1.3).

При подключении клемм щ1 и щ2 МПТ, находящейся в возбужденном состоянии (Ф 0), переключателем SА к питающей сети постоянного тока, в ветвях якорной обмотки возникает постоянный ток I, который, взаимодействуя с неизменным магнитным потоком Ф так, что на проводники будут действовать механические силы, определяемые соотношением Ампера, создаст вращающий момент М. Направление действия механических сил находится по правилу левой руки. Момент М является активной силой, которая, преодолевая сопротивление механической системы рабочей машины, совершает работу. Машина становится двигателем и преобразует электрическую энергию сети в механическую, преодолевая механическую нагрузку Р=М•ω. Теперь напряжение сети U компенсирует падение напряжения на внутреннем сопротивлении R₀ и преодолевает возникшую в якорной обмотке ЭДС

U = R₀• I + Е

(2.4)

U - Е = R₀ • I

Видно, что в выражении (1.4) направление вектора ЭДС Е противоположно направлению действия вектора напряжения сети U, и поэтому носит название противоЭДС.

Работа МПТ может харак­теризоваться четырьмя режимами: холостого хода РХХ, номинальным РНР, согласованным РСР и режимом короткого замыкания РКЗ. При этом КПД системы и ее основной параметр скорость ω прямолинейно (для систем параллельного или независимого возбуждения) зависят от нагрузки М со стороны рабочей машины.

 

 

Рис. 2.3 Диаграмма преобразования энергии в машинах постоянного тока и зависимость их КПД от нагрузки

 

К номинальным данным МПТ относятся мощность Р_Н, напряжение U_H, ток I_H, скорость ω_H и КПД η_H, то есть величины, характеризующие номинальный режим работы, при котором нагрузка на машину гарантируется заводом-изготовителем. Она равна для ГПТ - I_H, а для ДПТ - М_H или, соответственно:

Р_ен = I_H • U_H, (2.5)

 

Р_H = М_H • ω_H (2.6)

см. (рис.1.3, а).

Коэффициент полезного действия МПТ, если ввести коэффициент нагрузки , можно представить соотношениями:

: (2.7)

где ΣΔР - суммарные потери мощности в МПТ (Вт): электрические –ΔР_е; магнитные – ΔР_m; механические – ΔР_M потери соответственно. Из соотношений (1.7) и графической зависимости η(β) (рис.1.3) видно, что с увеличением коэффициента нагрузки β при одинаковой номинальной мощности Р_ен = Р_Н в пределах [0-1] КПД, когда потери почти постоянны и равны магнитным, ΔР_m возрастает пропорционально нагрузке, а за их пределами, когда начинают сказываться сильнее переменные потери (ΔР_е + ΔР_М) - падает. Его номинальное значение находится в пределах [0,85 - 0,9].

Рассмотрим лишь основные характеристики, которые необходимы как для технической эксплуатации, так и для правильного обеспечения действующих и проектируемых электрифицированных технологических процессов.

Рабочие характеристики ДПТ – это зависимости скорости вращения ω, электромагнитного вращающего момента М, тока якоря I_а и КПД η от мощности на валу - нагрузки Р со стороны рабочей машины (рис.1.4) при неизменных значениях U и I_B. На рисунке представлены рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения. Из рисунка видно, что работа ДПТШВ с малой нагрузкой Р_x не экономична.

 

 

 

Рис.2.4 Рабочие характеристики машины постоянного тока в двигательном режиме

 

Механические характеристики ДПТ – это зависимости скорости вращения ω от вращающего момента электромагнитного происхождения на валу при неизменных напряжении сети U и токе возбуждения I_B. Так как для ДПТ, например, параллельного (независимого) возбуждения

U = Е + R_Я • I_Я (4.9)

Е = С_Е • ω, а М = С_М • I_Я (4.10)

где: R_я – полное активное сопротивление якоря;

С_е и С_м – конструктивные константы ДПТ

 

то скорость ДПТ в этом частном случае будет определяться зависимостью:

(4.11)

где ω₀ - скорость идеального холостого хода.

Из аналитической зависимости механической характеристики ω(М) (1.11) видно, что при U = const., I_B = const и R_Я = const для ДПТНВ и ДТПШВ она представляет собой прямую в отрезках 1(см рис.1.5).

Она показывает три основных режима работы ДПТ: режим холостого хода - РХХ, режим номинальной работы - РНР и режим короткого замыкания - РКЗ. Эта зависимость ω(М) называется естественной механической характеристикой, если она получена при естественных условиях: U = U_H, I_B = I_Bн, R_Я = R_Я и искусственной, если получена при изменении U, С_E, С_M и R_Я.

Для сравнения с естественной механической характеристикой 1 на рис.1.5 показаны естественные характеристики ДПТПВ –прямая 2 и ДПТСВ – прямая 3. Видно, что ДПТПВ при холостом ходе имеет бесконечную скорость вращения, при которой якорь машины выходит из строя. Поэтому ДПТПВ можно применять в приводах таких рабочих машин и механизмов, которые запускаются под нагрузкой и нагрузка остаётся неизменной или мало изменяющейся в течении всего рабочего цикла, например, механизмы позиционирования транспортного оборудования, вентиляторы, компрессоры.

Рис.2.5 Механические характеристики двигателей постоянного тока

 

Аналитическое выражение механических характеристик ДПТНВ (ШВ) (1.11) показывает, что регулирование скорости при неизменной нагрузке М можно осуществлять на основе трех принципов:

1. за счет изменения напряжения сети U при неизменных магнитном потоке Ф и сопротивлении якоря R_Я:

(2.12)

 

 

2. за счет изменения тока возбуждения I_B при неизменных напряжении U и сопротивлении R_Я:

(2.13)

 

3. за счет изменения сопротивления цепи якорной обмотки при неизменных напряжении U и магнитном потоке Ф:

(2.14)