Принцип работы двигателя постоянного тока

Принцип действия двигателя параллельного возбуждения рассмотрим по схеме (рис. 5.4), где

N, S – главные полюса,

Ф – основной магнитный поток,

Ф_п – поперечный магнитный поток двигателя,

I_я – ток якорной цепи, I_в – ток возбуждения,

F – электромагнитные силы,

М_э – электромагнитный вращающий момент,

М_с – момент сопротивления приводного механизма,

ω – угловая частота вращения якоря,

U – напряжение источника питания двигателя,

Е – противо-ЭДС обмотки якоря.

Рис. 5.4

К цепи обмотки возбуждения и якорной цепи подведено напряжение U от одного источника постоянного тока.

Под воздействием этого напряжения в обмотке возбуждения проходит ток I_в, создающий постоянную намагничивающую силу I_вw_в, которая возбуждает неподвижный в пространстве основной магнитный поток Ф, направление которого зависит от направления тока в обмотке возбуждения. Направление магнитного потока определяется правилом правоходового винта: вращательное движение винта направляют по току в обмотке возбуждения, тогда поступательное движение винта покажет направление магнитного потока. Полярность главных полюсов N, S зависит от направления магнитного потока..

В якорной цепи двигателя проходит ток I_я. Щетками, прижимаемыми к коллектору, обмотка якоря делится на параллельные ветви. Число пар щеток (+, – ) равно числу пар главных полюсов p.

Секция обмотки якоря укладывается в пазы сердечника якоря таким образом, чтобы ее активные проводники находились под разноименными полюсами. Поэтому, если в верхнем активном проводнике, расположенном под северным полюсом (рис. 5.4), ток направлен от переднего торца якоря к заднему (обозначен крестиком), то в нижнем проводнике этой секции, расположенном под южным полюсом, ток направлен в обратную сторону (обозначен точкой). Следовательно, во всех проводниках, расположенных под одним полюсом, направление токов одинаково.

На проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление которых определяются правилом левой руки: левая рука располагается так (рис. 5.5, б), чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, четыре пальца направляются по току в проводнике, тогда большой палец, отогнутый на 90 градусов, покажет направление силы.

При указанном направлении тока в обмотке якоря и полярности полюсов (рис. 5.4) электромагнитные силы F, приложенные к верхним и нижним проводникам, создают электромагнитный момент, который вращает якорь в направлении против движения часовой стрелки со скоростью n, об/мин.

П ри вращении якоря активные проводники обмотки меняют свое расположение, переходя от одного полюса под другой, проходя через геометрическую нейтраль - линию, проведенную через щетки (рис. 5.4).

В результате воздействия магнитного поля двигателя на все проводники с током возникают электромагнитные силы, которые создают электромагнитный вращающий момент

М_вр, Н·м = C_МI_яФ,

где – конструктивная постоянная машины, зависящая от числа пар полюсовp, числа активных проводников N, числа пар параллельных ветвей а обмотки якоря.

При вращении якоря проводники его обмотки пересекают основной магнитный поток и в них на основании закона электромагнитной индукции индуцируется ЭДС. Ее направление определяется правилом правой руки: правая рука располагается так (рис. 5.5,а), чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, большой палец, отогнутый на 90 градусов, направляется в сторону перемещения проводника, тогда четыре пальца покажут направление ЭДС.

На рис. 5.4 направление ЭДС обозначено точками и крестиками около проводников обмотки якоря. Видно, что направления этих ЭДС противоположно направлению тока в обмотке, поэтому их называют противоЭДС. Величина ЭДС

Е_я = С_ЕnФ,

где - конструктивная постоянная машины.

Ток в проводниках обмотки якоря образует магнитное поле якоря, направление которого определяется правилом правоходового винта. При указанных направлениях тока магнитный поток этого поля Ф_п направлен перпендикулярно основному (продольному) потоку Ф. Поэтому он называется поперечным.

При взаимодействии двух полей результирующее магнитное поле искажается. Под сбегающими краями главных полюсов магнитные потоки направлены встречно и результирующее магнитное поле ослабляется, а под набегающими – усиливаются, так как потоки направлены одинаково.

Д ля компенсации поперечного магнитного поля применяют дополнительные полюсаN_д, S_д, обмотки которых включены последовательно с обмоткой якоря. Магнитный поток дополнительных полюсов направлен встречно потоку поперечного поля. и пропорциональны ему. Поэтому независимо от режима работы двигателя магнитный поток дополнительных полюсов всегда будет компенсировать магнитный поток поперечного поля.

На рис. 5.6 изображена схема замещения якорной цепи двигателя постоянного тока, где R_Я – сопротивление обмотки якоря.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа:

Тогда уравнение электрического состояния якорной цепи двигателя постоянного тока имеет вид:

Ток якорной обмотки .

В режиме холостого хода (при отсутствии нагрузки на валу двигателя) якорь вращается с максимальной скоростью n₀. ЭДС Е_я имеет максимальное значение, ток якоря I_я= I_ях незначителен, как видно из формулы. Момент М₀, развиваемый двигателем в режиме холостого хода, равен моменту инерции двигателя.

При увеличении нагрузки на валу скорость двигателя n уменьшается и уменьшается величина противоЭДС Е_я. Тогда увеличиваются ток якорной обмотки и момент развиваемый двигателем М_вр=М₀+М_с, где М_с - момент нагрузки на валу двигателя.

 30. ЭДС и момент машин постоянного тока.

При движении провода обмотки якоря в магнитном поле под полюсом провод пересекает линии магнитного поля с индукцией В и в нем по закону электромагнитной индукции индуктируется э.д.с.

;

l – активная длина провода;

v – окружная скорость якоря.

; ,

- длина полюсного деления;

р – число пар полюсов;

D – диаметр якоря.

- площадь полюсного деления;

- магнитный поток.

Учитывая, что якорь состоит из N активных проводов. Щетки делят эту обмотку на 2а параллельных ветвей.

Следовательно э.д.с. одной параллельной обмотки

,

C_э – постоянный для данной машины коэффициент.

В генераторе Е_я вызывает ток I_яи совпадает с ним по направлению. У двигателя Е_я направлена против тока I_я и называется противоэ.д.с.

Э.д.с. якоря можно регулировать посредством изменения главного магнитного потока и посредством изменения частоты вращения якоря..

При работе машины в режимах генератор и двигатель направление передачи энергии различное, но природа электромагнитного момента воздействующего на якорь одна и та же.

На каждый из активных проводов обмотки якоря, находящимися под полюсами машины, действует сила

.

Сумма этих сил создает электромагнитный момент

.

I – ток одного провода

;

;

- постоянный для данной машины коэффициент.

 

РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ

Реакцией якоря называется воздействие тока якоря на магнитное поле машины. Реакция якоря в большинстве случаев – явление нежелательное, искажающие главное магнитное поле.

Пока магнитное поле машины создается только током в обмотке возбуждения (I_я = 0), оно симметрично по отношению к оси сердечников полюсов и под полюсами равномерно. Геометрическая нейтраль совпадает с физической – рис. а)

 

 

Геометрическая нейтраль - линия перпендикулярная оси полюсов.

- физическая нейтраль, т.е. линия проходящая через точки, где магнитная индукция =0. Щетки располагаются на геометрической нейтрали.

Как только в обмотке якоря возникает ток, он становится электромагнитом. поле якоря поперечное – рис.б).

При нагрузке машины реакция якоря, воздействует на главное поле, создает результирующее поле.

Линии магнитного поля смещаются по направлению вращения в генераторном режиме или против направления в двигательном – рис. в). Физическая нейтраль смещается по отношению к геометрической.

 

Искажение магнитного поля под полюсами сопровождается значительным местным повышением магнитной индукции. Мгновенное э.д.с. в секциях обмотки пропорционально этой индукции (при движении). Следовательно искажение поля может вызвать повышение напряжения между соседними пластинами коллектора. Это может привести к возникновению опасных дуговых разрядов.

Для ослабления реакции якоря применяют:

1) увеличивают магнитное сопротивление на пути потока якоря. Воздушный зазор между якорем и полюсными наконечниками делают достаточно большим. Для обеспечения нужного потока необходима соответствующая м.д.с. Увеличение м.д.с. главных полюсов ведет к увеличению габаритов и массы;

2) дополнительные полюса устанавливают на станине и соединяют последовательно с обмоткой якоря через щетки так, чтобы направление напряженности поля дополнительных полюсов было противоположно направлению поля якоря;

3) компенсационная обмотка полностью компенсирует реакцию якоря. Якорь вращается, а его магнитный остается неподвижным. Компенсационная обмотка помещается в специальных пазах главных полюсов и последовательном соединении с обмоткой якоря. Приводит к удорожанию, применяется в крайних случаях.

 

 

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Синхронной называется электрическая машина, частота вращения которой связана постоянным соотношением с частотой f сети переменного тока, в которую эта машина включена.

Область применения:

1) генераторы переменного тока промышленной частоты на электрических станциях;

2) двигатели работающие при постоянной частоте вращения;

3) синхронные компенсаторы для получения регулируемого реактивного тока.

Основными частями синхронной машины являются статор и ротор.

Статор состоит из сердечника и обмотки. Сердечник статора собран из изолированных друг от друга пластин электротехнической стали и укрепленный внутри массивного корпуса. В пазах с внутренней стороны статора размещается в большинстве случаев трехфазная обмотка.

Ротор синхронной машины конструктивно выполняют:

- явнополюсным;

- неявнополюсным;

Ротор представляет собой электромагнит.

На роторе располагают обмотку возбуждения, питаемую от источника постоянного тока. Т.о. ротор синхронной машины имеет свой магнитный поток, который определяет его полярность. В этом заключается принципиальное отличие ротора синхронной машины от ротора асинхронной машины, полярность которой всегда определяет полярность статора.

Явнополюсной ротор изготавливается из листовой стали и имеет большое число полюсов, на которых располагается ОВ.

ОВ неявнополюсных роторов закладываются в пазы и создает два полюса ротора.

В синхронных электрических машинах с неявновыраженными полюсами частота вращения ротора 3000 об/мин, а с явновыраженными от 100 до 1000 об/ мин.

Питание к обмотке ротора подводится через скользящие контакты, состоящие из медных колец и графитовых щеток.

 

 31. Характеристики генераторов постоянного тока.

Свойства генератора постоянного токаопределяются в основном способом включения обмотки возбуждения. Существуют генераторы независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения:

· с независимым возбуждением: обмотка возбуждения получает питание от постороннего источника постоянного тока (аккумуляторной батареи, небольшого вспомогательного генератора, называемого возбудителем, или выпрямителя),

 

 

· с параллельным возбуждением: обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря и нагрузке,

 

 

· с последовательным возбуждением: обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря и нагрузкой,

 

· со смешанным возбуждением: имеются две обмотки возбуждения — параллельная и последовательная, первая подключена параллельно обмотке якоря, а вторая — последовательно с нею и нагрузкой.

· Характеристиками называются зависимости между входными и выходными параметрами генератора.

· Входные:i_в,ω;
Выходные: U, I_а.

· Всего у генератора 5 характеристик:
1. U(i_в) при I_n=0, ω=const – характеристика холостого хода (х.х.х);
2. U(i_в) при I_а≠0=const, ω=const – нагрузочная характеристика;
3. U(I_а) при i_в=const, ω=const – внешняя характеристика;
4. i_в(I_а) при U=const, ω=const – регулировочная характеристика;
5. I_а(i_в) при U=0, ω=const – характеристика короткого замыкания.

· 1-я и 5-я характеристики называются граничными. С холостого хода начинается работа генератора и заканчивается коротким замыканием. Возможны 2 вида коротких замыканий: аварийное короткое замыкание, которое происходит в якорной цепи генератора при номинальном токе в обмотке возбуждения и испытательное короткое замыкание, которое бывает при исследовании генератора. В этом случае ток в обмотке возбуждения генератора увеличивается до значения, при котором ток в обмотке якоря не превышает номинального.

· Характеристики 2, 3, 4 – характеристики работы генератора под нагрузкой.

· Характеристики 1, 2, 3, 4, 5 показывают, как изменяется выходная величина при изменении входной величины в результате физических процессов, происходящих в генераторе.

· Характеристика 4 – зависимость между величинами, не имеющими связи, поэтому она показывает не как изменяется ток возбуждения при изменении тока якоря, а как нужно изменить его, чтобы напряжение на зажимах якоря оставалось постоянным.

· Характеристики генераторов можно получить расчетным и экспериментальным путями. Экспериментальная проверка характеристик генератора обычно проводится на электромашиностроительных заводах после изготовления машины и на электроремонтных заводах после проведения ремонта.

· Поскольку физические процессы, происходящие в генераторе, зависят от способа возбуждения машины, генераторы с различными способами возбуждения имеют разный вид характеристик.

 32. Механические характеристики двигателей постоянного тока.