71. Устройство и принцип действия машины постоянного тока в режиме генератора и двигателя

Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валу цилиндрического якоря 2 и коллектора3. Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в показанной на рисунке 1 и рисунке 2 простейшей машине имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум. На коллектор наложены две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

Основной магнитный поток в нормальных машинах постоянного тока создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током. Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к южному полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу. Сердечники полюсов и ярмо также изготовляются из ферромагнитных материалов.

Рисунок 1. Простейшая машина постоянного тока

Рисунок 2. Работа простейшей машины постоянного тока в режиме генератора (а) и двигателя (б)

Предположим, что якорь машины (рисунки 1 и 2, а) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется э. д. с., направление которой может быть определено по правилу правой руки (рисунок 3, а) и показано на рисунках 1 и 2, а. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта э. д. с. индуктируется только вследствие вращения якоря и называется э. д. с. вращения.

Рисунок 3. Правила правой (а) и левой (б) руки

Значения индуктируемой в проводнике обмотки якоря э. д. с.

e_пр = B × l × v,

где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; l – активная длина проводника, то есть та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; v – линейная скорость движения проводника.

В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые э. д. с., которые по контуру витка складываются, и поэтому полная э. д. с. якоря рассматриваемой машины

Eа = 2 × eпр = 2 × B × l × v.

(1)

Э. д. с. E_а является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление э. д. с. в проводниках меняется. По форме кривая э. д. с. проводника в зависимости от времени t повторяет кривую распределения индукции B вдоль воздушного зазора (рисунок 4, а).

Частота э. д. с. f в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря n, выраженной в оборотах в секунду:

f = n,

а в общем случае, когда машина имеет p пар полюсов с чередующейся полярностью,

f = p × n

(2)

Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток I_а. В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой э. д. с. (рисунок 4, а). Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора (рисунок 1) на 90° и изменении направления э. д. с. в проводниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой – пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными.

72.Формула ЭДС обмотки якоря и электромагнитного момента двигателя постоянного тока.

Как было показано ранее, ЭДС проводника обмотки якоря определяется по формуле е_пр = Blv.

При вращении якоря ЭДС е_пр изменяется в соответствии с графиком, приведенным на рис. 9.2,б. Среднее значение ЭДС проводника е_пр,ср при его перемещении в пределах полюсного деления можно определить через среднее значение магнитной индукции (см. рис. 9,2 б):  е_пр,ср = B_cplv.

Если обмотка якоря имеет N проводников и 2а параллельных ветвей, то число последовательно соединенных проводников в каждой параллельной ветви будет N/2a. Тогда среднее значение ЭДС машины

(9,4)

Е = Bcplv	N	.
	2а

Среднее значение магнитной индукции

(9,5)

Bcp =	Ф	.
	πDяl/2p

где Ф — магнитный поток одного полюса, Вб; D_я — диаметр якоря, м; 2р — число полюсов машины.

Величина πD_яl/2p в (9.5) представляет собой поверхность сердечника якоря, приходящуюся на один полюс.Линейную скорость проводников v можно определить по формуле

(9,6)

v =	πDяn	.
	60

где n— частота вращения якоря, об/мин.

После замены в (9.4) магнитной индукции В_ср и скорости v согласно (9.5) и (9.6) получим

(9.7)

Е =	p		N		Фn = kеФn,
	а		60
где  kе =				p			N	- коэффициент  ЭДС,  зависящий  от  конструк тивных особенностей машины.
				а			60

Как   видно,   ЭДС  прямо   пропорциональна   произведению магнитного  потока  на  частоту  вращения.   По   формуле   (9.7) можно определять как ЭДС генераторов, так и ЭДС двигателей.

Электромагнитная сила в ньютонах, действующая на проводник обмотки якоря, определяется соотношением

F_пр = BlI_пр = BlI_я /2a,

где Iпр — ток проводника, равный току параллельной ветви, А; I_я — ток якоря, А.

При вращении якоря сила, действующая на проводник, изменяется.

Среднее значение силы можно определить через среднее значение магнитной индукции:

F_{пр, ср} = B_cplI_я/2a.

Средний электромагнитный момент, Н•м, действующий на якорь,

(9.8)

Mcp = Fпр, ср	Dя	N = Bcpl	lя		Dя	N.
	2		2a		2

После замены в (9.8) магнитной индукции В_ср согласно (9.5) получим

(9.9)

Mэм =	р		N		ФIя = kMФIя,
	а		2π
где  kM =				р			N	- коэффициент момента, зависящий от конструктивных особенностей машины.
				а			2π

Как видно, момент электромагнитный прямо пропорционален произведению магнитного потока на ток якоря. По формуле (9.9) можно определять как момент генераторов, так и момент двигателей.

Если момент выражен в ньютоно-метрах, то между коэффициентами k_е и k_M существует следующее соотношение:

(9.10)

k_е /k_M ≈ 0,105.

Электромагнитный момент М_эм, вызванный взаимодействием магнитного потока и тока якоря и определяемый по формуле (9.9), 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.

73.Двигатели постоянного тока. Способы возбуждения. Пуск двигателя. Механические и рабочие характеристики двигателя.

Электродвигатель постоянного тока (ДПТ) — электрическая машина постоянного тока, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.

Работа и свойства электрических машин постоянного тока (как генераторов, так и двигателей) в значительной степени зависят от способа возбуждения в них магнитного потока. Действительно, магнитный поток входит множителем как в выражение   ЭДС, так и в выражение  электромагнитного момента, поэтому необходимо знать, как создается магнитный поток, от каких величин он зависит, как и для какой цели нужно изменять его значение. Согласно ГОСТов, по способу возбуждения машины постоянного тока классифицируют следующим образом: а)   машины независимого возбуждения, обмотка возбуждения которых питается от постороннего источника электрического тока; б)   машины параллельного возбуждения, обмотка возбуждения которых соединена параллельно с цепью якоря; в)   машины последовательного возбуждения, обмотка возбуждения которых соединена последовательно с цепью якоря; г)    машины смешанного возбуждения, у которых имеются две обмотки возбуждения, одна из которых соединена последовательно с цепью якоря (другая — может быть либо независимой, либо, чаще, параллельной). Если МДС обмоток возбуждения имеют одно направление, то такое их включение называется согласным. Если же МДС обмоток направлены в разные стороны, то включение называется встречным. Схемы всех четырех типов машин показаны соответственно на рис. 1. Все эти электрические машины имеют одинаковое устройство и отличаются лишь выполнением обмотки возбуждения (ОВ). Обмотки независимого и параллельного возбуждения изготавливают с большим числом витков, из провода малого сечения, а обмотку последовательного возбуждения — с малым числом витков из провода большого сечения. Существуют также машины небольшой мощности, магнитное поле у которых создается либо только постоянными магнитами, либо еще и обмотками возбуждения, питаемыми электрическим током. Свойства первых близки к свойствам машин независимого, а вторых — смешанного или независимого возбуждения (в зависимости от способа подключения обмотки возбуждения).

 

Способы пуска. Для двигателей постоянного тока могут быть применены три способа пуска:

1) прямой, при котором обмотка якоря подключается непо­средственно к сети;

2) реостатный, при котором в цепь якоря включается пуско­вой реостат для ограничения тока;

3)    путем плавного повышения питающего напряжения, которое подается на обмотку якоря.

Прямой пуск. Обычно в двигателях постоянного тока падение напряжения I_ном ΣR_а во внутреннем сопротивлении цепи якоря составляет 5 — 10% от U_ном , поэтому при прямом пуске ток якоря I_п = U_ном /ΣR_а = (10 ÷ 20)I_ном , что создает опасность поломки вала машины и вызывает сильное искрение под щетками. Поэтому прямой пуск применяют в основном для двигателей малой мощности (до нескольких сотен ватт), в которых сопротивление ΣR_а относительно велико, и лишь в отдельных случаях для двигателей с последовательным возбуждением мощностью в несколько киловатт.

74.Регулирование частоты вращения и паспортные данные двигателей постоянного тока.

Для получения высокой производительности и требуемой точности или шероховатости обработки изделий, остановки исполнительного органа производственной машины в нужном месте с заданной степенью точности и т. д. приходится принудительно изменять частоту вращения или скорость линейного перемещения исполнительного органа. Принудительное изменение частоты вращения или линейного перемещения исполнительного органа производственной машины в соответствии с требованием производственного процесса называется регулированием скорости.

В настоящее время взамен коробок скоростей, вариаторов и т. п. все больше применяется электрическое регулирование частоты вращения, в основе которого лежит использование искусственных, механических характеристик электродвигателей. Электрическое регулирование частоты вращения приводит к упрощению, облегчению и удешевлению механической части машин и механизмов, упрощению управления, возможности получения плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне.

Для регулирования частоты вращения путем изменения сопротивления цепи якоря обычно используют тот же реостат, что и для пуска двигателя. Например, с помощью реостата, для которого на 9.27 изображены механические характеристики, при моменте М = М_с можно получить частоты вращения n₄, n₅ и n₆. В том случае, когда необходимо иметь и другие частоты вращения, реостат снабжают дополнительными ступенями сопротивлений. Реостат, используемый как для пуска, так и для регулирования частоты вращения, находится в отношении нагревания в более тяжелых условиях, чем реостат, служащий только для пуска.