Электрические машины постоянного тока.

 

Устройство и принцип действия двигателя постоянного тока.

 

Электрические машины постоянного тока (двигатели и генераторы) находят широкое применение в различных областях техники. Основное достоинство двигателей постоянного тока заключается в возможности плавного регулирования частоты вращения и получения больших пусковых моментов, что очень важно для тяговых двигателей на электрическом транспорте, а также для привода различного технологического оборудования.

Электрические машины постоянного тока малой мощности применяются в системах автоматического регулирования как для привода исполнительных механизмов, так и в качестве датчиков частоты вращения подвижных частей регулируемой системы.

Общим недостатком электрических машин постоянного тока является сложность их конструкции, связанная главным образом со щеточно-коллекторным аппаратом. Кроме того, в коллекторно-щеточном аппарате, осуществляющем постоянную перекоммутацию цепей электрической машины, возникает искрение. Это снижает надежность машин и ограничивает область их применения. Существенным недостатком двигателей постоянного тока является необходимость предварительного преобразования для них электрической энергии цепи переменного тока в электрическую энергию цепи постоянного тока.

Устройство машины постоянного тока.

Машину постоянного тока в основном можно разделить на неподвижную и вращающуюся части. Неподвижная часть состоит из станины (рис. 6.1), на которой укреплены главные полюсы для возбуждения главного магнитного потока и дополнительные – для улучшения коммутации в машине.

Рис. 6.1

Главный полюс состоит из сердечника, набранного из листовой стали и укрепленного болтами на станине, и обмотки возбуждения. Сердечник на свободном конце снабжается полюсным наконечником для создания требуемого распределения магнитного потока. Минимальное число пар главных полюсов  (один южный S и один северный N).

Станина является ярмом машины, т.е. частью, замыкающей магнитную цепь главного потока Ф (рис. 6.2). Она изготавливается из литой стали, так как главный магнитный поток в ней относительно постоянен.

Дополнительные полюсы устанавлтиваются на станине между основными. На сердечниках дополнительных полюсов располагаются обмотки, которые соединяются последовательно с обмоткой якоря.

Рис. 6.2

Якорем называют часть машины, в обмотке которой при вращении ее относительно главного магнитного поля индуцируется ЭДС. Якорь (рис. 6.3) состоит из зубчатого сердечника 1, обмотки 2, уложенной в его пазах, и коллектора 3, насаженных на общий вал 4. Сердечник якоря набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга лаком.

Рис. 6.3

Коллектор представляет собой полый цилиндр, собранный из изолированных друг от друга и вала машины клинообразных медных пластин 1 (рис. 6.4). Проводами 2 они соединяются с витками обмотки, размещенной в пазах якоря. Вращающаяся обмотка соединяется в внешней цепью скользящим контактом между щетками 1, установленными в щеткодержателях 3 (рис. 6.5), и коллектором. Щетку к коллектору прижимает пружина 2. Ток от щетки отводится гибким кабелем 4. Щеткодержатели надевают на траверсу, от которой они электрически изолируются. Траверса соосно соединена с якорем так, что ее можно поворачивать, изменяя положение щеток по отношению к полюсам машины.

С помощью коллектора и щеток вращающаяся обмотка якоря соединяется с внешней электрической цепью.

                        

Рис. 6.4                                                     Рис. 6.5

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

Если якорь изготовить в виде кольца и на нем разместить обмотку в виде замкнутого тороида, то такой якорь называют кольцевым, а обмотку — спиральной. При вращении этого якоря в магнитном поле в витках его обмотки будут индуцироваться ЭДС (рис. 6.6 а). Оказывается, что в витках одной половины обмотки ЭДС имеет один знак, в витках другой половины — противоположный. Если витки равномерно распределены по поверхности якоря, то тока в обмотке не будет, так как действие ЭДС обеих половин взаимно компенсируется. Если, например, у витков с внешней стороны частично снять изоляцию и с двух противоположных сторон наложить две неподвижные щетки (а и Ь) так, чтобы при вращении якоря они могли касаться каждого витка, то легко заметить, что вся обмотка как бы разделится пополам и при вращении якоря витки одной половины обмотки будут постепенно переходить в другую, при этом число витков каждой половины, полярность и значение ЭДС будут оставаться неизменными. Если теперь подключить нагрузку к щеткам, то во внешней цепи и в каждой половине обмотки установится постоянный ток.

Рис. 6.6

Очевидно, что для более полного использования ЭДС обмотки щетки надо подключать в тех точках, где ЭДС не наводится. Прямая, проходящая через две такие точки, называется геометрической нейтралью (ГН). При таком расположении щеток обмотка оказывается разделенной на две параллельные ветви, соединенные между собой и внешней цепью щетками. Если щетки сместить относительно геометрической нейтрали, то в части витков каждой параллельной ветви ЭДС будет иметь противоположную полярность, а под щетками может начаться искрение, так как в закорачиваемых щетками витках (секциях) ЭДС отлична от нуля.

Кольцевой якорь можно усовершенствовать, если не снимать изоляцию с витков обмотки, а сделать от них отводы, соединенные с пластинами коллектора, а щетки наложить на коллектор (рис. 6.6 б). Если у такой машины сделать четыре полюса, то обмотка разделится на четыре части (рис. 6.7 а). Если далее вместо двух щеток поставить четыре и одноименные соединить между собой (рис. 6.7 б), то обмотка будет иметь четыре параллельные ветви. Легко видеть, что с увеличением числа параллельных ветвей ток нагрузки может быть соответственно увеличен.

Рис. 6.7

Рассмотренный выше кольцевой якорь со спиральной обмоткой имеет существенные недостатки. Во-первых, магнитный поток замыкается через стенку кольца (якоря), минуя внутреннюю полость, поэтому активной стороной каждого витка обмотки является та, которая расположена на поверхности, а внутренняя часть витка для получения ЭДС не используется и служит лишь соединительным проводником. Это обстоятельство приводит к нерациональному расходу меди. Во-вторых, спиральную обмотку нельзя сделать по шаблону, поэтому в настоящее время машины с кольцевым якорем не изготовляют.

Рис. 6.8

Недостатки кольцевого якоря устраняют заменой его барабанным. Обмотки барабанного якоря (рис. 6.8) укладывают в специальные пазы на поверхности цилиндра (якоря) в виде отдельных секций, определенным образом соединенных с пластинами коллектора и между собой. Секция — это часть обмотки между двумя соседними отводами к коллектору. Обе стороны каждой секции являются активными; секции изготовляют по шаблону.

Режимы работы машины постоянного тока.

Как и все электрические машины, машина постоянного тока обратима. Она работает в режиме генератора, если ее якорь вращается первичным двигателем, главное магнитное поле возбуждено, а цепь якоря соединена через щетки с приемником. При таких условиях под действием ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря, в замкнутой цепи якорь — приемник возникает ток  (рис. 6.9 а), совпадающий с ЭДС по направлению.

Рис. 6.9

Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает на валу генератора тормозной момент, который преодолевается первичным двигателем. Генератор преобразует механическую энергию в электрическую.

В двигательном режиме цепи якоря и возбуждения машины присоединены к источнику электроэнергии. Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает вращающий момент. Под действием последнего вращающийся якорь преодолевает момент нагрузки на валу. Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую. При этом ЭДС якоря противодействует току в цепи якоря и направлена ему навстречу (рис. 6.9 б).

Возбуждение главного магнитного поля возможно с помощью либо электромагнитов, либо постоянных магнитов. Последнее менее распространено.

Все рабочие характеристики машин 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 одна от другой.

В машинах с независимым возбуждением обмотка возбуждения, имеющая и; витков, подключается к независимому источнику электроэнергии (рис. 6.10), благодаря чему ток в ней не зависит от напряжения на выводах якоря машины. Для этих машин характерна независимость главного потока от нагрузки машины.

Рис. 6.10

У машин с параллельным возбуждением цепь обмотки возбуждения соединяется параллельно с цепью якоря (рис. 6.11 а). В этом случае ток возбуждения  во много раз меньше тока якоря (0,05-0,01), а напряжение U между выводами цепей якоря и возбуждения одно и то же. Следовательно, сопротивление обмотки возбуждения () должно быть относительно велико. Обмотка возбуждения машины параллельного возбуждения имеет большое число витков  из тонкого провода и, следовательно, значительное сопротивление. Для машин параллельного возбуждения, работающих в системе большой мощности, характерно постоянство главного магнитного потока и его небольшая зависимость от условий нагрузки машины.

Рис. 6.11

У машин с последовательным возбуждением ток якоря  равен току обмотки возбуждения (рис. 6.11, б), поэтому она выполняется проводом большого сечения. Значение тока / в обмотке последовательного возбуждения велико, так что для получения необходимой МДС () обмотка может иметь малое число витков . Следовательно, сопротивление  обмотки последовательного возбуждения относительно мало. Для этих машин характерны изменения в широких пределах главного магнитного потока при изменениях нагрузки машины вследствие изменений тока якоря, т. е. и тока возбуждения.

В машинах со смешанным возбуждением на каждом полюсном сердечнике расположены две обмотки (рис. 6.11 в). Одна из этих обмоток с числом витков  подключена параллельно якорю, вторая обмотка с числом витков ,— последовательно.

В зависимости от преобладания МДС, созданных последовательной или параллельной обмоткой возбуждения, машина по своим характеристикам может быть машиной последовательного возбуждения с небольшой параллельной обмоткой возбуждения или машиной параллельного возбуждения с небольшой последовательной обмоткой возбуждения. В большинстве машин смешанного возбуждения применяется согласное соединение, т. е. МДС двух обмоток складываются. Встречное соединение, при котором МДС обмоток имеют противоположное направление, применяется в немногих специальных случаях.

В зависимости от способа подключения обмотки возбуждения к якорю двигатели, как и генераторы постоянного тока, различают независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

Двигатель параллельного и независимого возбуждения

Схема включения двигателя постоянного тока параллельного возбуждения через пусковой реостат ПР изображена на рисунке 6.12. Если обмотку возбуждения такого двигателя включить через регулировочный реостат РВ на напряжение другого источника, то получится двигатель независимого возбуждения. Скоростная характеристика  таких двигателей при  и  приведена на рисунке 6.13, для объяснения которой обратимся к формуле скорости двигателя:

.

                        

Рис. 6.12                                                        Рис. 6.13

Изменение скорости вращения может происходить за счет изменения нагрузки и магнитного потока. Но изменение тока нагрузки лишь незначительно изменяет внутреннее падение напряжения благодаря малости сопротивления цепи якоря, которое тем меньше, чем мощнее двигатель. Ток нагрузки в конечном счете лишь незначительно уменьшает скорость вращения двигателя. Что касается магнитного потока Ф, то вследствие реакции якоря при увеличении тока нагрузки он несколько уменьшается, что приводит к незначительному увеличению скорости вращения. Таким образом, скорость вращения двигателя параллельного возбуждения очень мало изменяется.

Скорость вращения двигателя независимого возбуждения можно регулировать изменением сопротивления цепи якоря либо изменением магнитного потока. Чрезмерное уменьшение тока возбуждения и особенно случайный обрыв этой цепи являются очень опасными для двигателей параллельного и независимого возбуждения, так как ток в якоре возрастает до недопустимо большого значения. В случае незначительной нагрузки (или на холостом ходу) скорость настолько возрастает, что становится опасной для целости двигателя (наступает аварийный режим — «разнос» двигателя).

Двигатели независимого возбуждения нашли широкое применение в качестве исполнительных двигателей в схемах автоматики, а иногда в качестве так называемого электромагнитного тормоза.

Двигатель последовательного возбуждения

Схема двигателя постоянного тока последовательного возбуждения изображена на рисунке 6.14. Обмотка возбуждения двигателя включена последовательно с якорем, поэтому магнитный поток двигателя изменяется вместе с изменением нагрузки. Так как ток нагрузки велик, то обмотка возбуждения имеет небольшое число витков, это позволяет несколько упростить конструкцию пускового реостата по сравнению с реостатом для двигателя параллельного возбуждения.

Скоростную характеристику (рис. 6.15) можно получить на основании уравнения скорости, которая для двигателя последовательного возбуждения имеет вид:

,

где  - сопротивление обмотки возбуждения.

                            

Рис. 6.14                                                        Рис. 6.15

Из рассмотрения характеристики видно, что скорость двигателя сильно зависит от нагрузки. При увеличении нагрузки увеличивается падение напряжения на сопротивлении обмоток при одновременном увеличении магнитного потока, что приводит к значительному уменьшению скорости вращения. Это характерная особенность двигателя последовательного возбуждения. Значительное уменьшение нагрузки приведет к опасному для двигателя увеличению скорости вращения. При нагрузках менее 25% номинальной (и особенно на холостом ходу), когда ток нагрузки и магнитный поток из-за небольшого числа витков в обмотке возбуждения оказывается настолько слабым, что скорость вращения быстро возрастает до недопустимо больших значений (двигатель может «разнести»). По этой причине эти двигатели применяют лишь в тех случаях, когда их соединяют с приводимыми во вращение механизмами непосредственно или через зубчатую передачу. Применение ременной передачи недопустимо, так как ремень может оборваться либо соскочить, двигатель при этом полностью разгрузится.

Регулирование скорости вращения двигателя последовательного возбуждения может осуществляться изменением магнитного потока или изменением питающего напряжения.

Зависимость вращающего момента от тока нагрузки (механическую характеристику) двигателя последовательного возбуждения можно получить, если в формуле вращающего момента магнитный поток выразить через ток нагрузки. В отсутствие магнитного насыщения поток пропорционален току возбуждения, а последний для данного двигателя является током нагрузки, т. е.

,

где с - постоянный для данной машины коэффициент, зависящий от особенностей ее конструкции.

На графике (см. рис. 6.15) эта характеристика имеет форму параболы. Квадратичная зависимость вращающего момента от тока нагрузки является второй характерной особенностью двигателя последовательного возбуждения, благодаря которой эти двигатели легко переносят большие кратковременные перегрузки и развивают большой пусковой момент.

Рабочие характеристики двигателя приведены на рисунке 6.16. Из рассмотрения всех характеристик следует, что двигатели последовательного возбуждения можно применять в тех случаях, когда необходим большой пусковой момент или кратковременные перегрузки; исключена возможность их полной разгрузки. Они оказались незаменимыми как тяговые двигатели на электротранспорте (электровоз, метрополитен, трамвай, троллейбус), в подъемно-транспортных установках (краны и т. д.) и для пуска двигателей внутреннего сгорания (стартеры) в автомобилях и авиации.

Экономичное регулирование скорости вращения в широких пределах осуществляется в случае одновременной работы нескольких двигателей путем различных комбинаций включения двигателей и реостатов. Например, на малых скоростях они включаются последовательно, а на больших — параллельно. Необходимые переключения осуществляются оператором (водителем) поворотом ручки переключателя.

Рис. 6.16

Двигатель смешанного возбуждения

Схема включения двигателя постоянного тока смешанного возбуждения изображена на рисунке 6.17. На каждом полюсе такого двигателя имеются обмотки — параллельная и последовательная. Их можно включить так, чтобы магнитные потоки складывались (согласное включение) или вычитались (встречное включение).

                    

Рис. 6.17                                                        Рис. 6.18

Уравнения скорости вращения и вращающего момента для них выражаются так:

и

,

где знак плюс относится к согласному включению обмоток возбуждения, минус - к встречному. В зависимости от соотношения магнитных потоков обеих обмоток по свойствам двигатель приближается к двигателям параллельного либо последовательного возбуждения. Как правило, у двигателей смешанного возбуждения последовательная обмотка является главной (рабочей), а параллельная - вспомогательной. Благодаря магнитному потоку параллельной обмотки скорость вращения такого двигателя не может возрастать беспредельно при малых нагрузках (или на холостом ходу), т. е. двигатель не будет «разносить».

Двигатели с согласным включением нашли широкое применение в тех случаях, когда необходим большой пусковой момент и изменение скорости при переменных нагрузках (включая малые нагрузки и холостой ход). Двигатели же со встречным включением применяют для получения постоянной скорости при изменяющейся нагрузке.

На рисунке 6.18 приведены для сравнения нагрузочные характеристики двигателей с различными способами возбуждения.

 

Паспортные данные двигателя постоянного тока

 

К паспортным данным двигателя постоянного тока относятся:

1. Номинальная мощность P_н.

2. Номинальное напряжение U_н.

3. Номинальная частота вращения n_н.

4. Максимальная частота вращения n_max.

5. КПД .

6. Ток якоря .

7. Ток возбуждения .

8. Момент инерции М.