Конспект лекций по дисциплине «Электрические машины и электропривод»
Раздел «Машины постоянного тока»
Коллекторные машины постоянного тока Коллекторные двигатели Основные понятия
Коллекторные машины обладают свойством обратимости, т. е. они могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Поэтому если машину постоянного тока подключить к источнику энергии постоянного тока, то в обмотке возбуждения и в обмотке якоря машины появятся токи. Взаимодействие тока якоря с полем возбуждения создает на якоре электромагнитный момент M, который является не тормозящим, как это имело место в генераторе, а вращающим.
Под действием электромагнитного момента якоря машина начнет вращаться, т. е. машина будет работать в режиме двигателя, потребляя из сети электрическую энергию и преобразуя ее в механическую. В процессе работы двигателя его якорь вращается в магнитном поле. В обмотке якоря индуцируется ЭДС ЕA, направление которой можно определить по правилу «правой руки». По своей природе она не отличается от ЭДС, наводимой в обмотке якоря генератора. В двигателе же ЭДС направлена против тока IA, и поэтому ее называют противо - электродвижущей силой (противо-ЭДС) якоря (рис. 29.1).
Для двигателя, работающего с постоянной частотой вращения,
(1)
Из (1) следует, что подведенное к двигателю напряжение уравновешивается противо-ЭДС обмотки якоря и падением напряжения в цепи якоря. На основании (1) ток якоря
(2)
Умножив обе части уравнения (1) на ток якоря IA, получим уравнение мощности для цепи якоря:
(3)
где UIa - мощность в цепи обмотки якоря; - мощность электрических потерь в цепи якоря.
Для выяснения сущности выражения EaIa проделаем следующее преобразование:
Причем
тогда
(4)
где - угловая частота вращения якоря; РЭМ — электромагнитная мощность двигателя.
Рис. 29.1. Направление противо-ЭДС в обмотке якоря двигателя.
Следовательно, выражение EaIa представляет собой электромагнитную мощность двигателя. Преобразовав выражение (3) с учетом (4), получим
Анализ этого уравнения показывает, что с увеличением нагрузки на вал двигателя, т. е. с увеличением электромагнитного момента М, возрастает мощность в цепи обмотки якоря, т. е. мощность на входе двигателя. Но так как напряжение, подводимое к двигателю, поддерживается неизменным (U = const), то увеличение нагрузки двигателя сопровождается ростом тока в обмотке якоря IA.
В соответствии с формулой ЭДС частота вращения двигателя (об/мин)
Подставив значение Еa из (1), получим (об/мин)
(5)
т. е. частота вращения двигателя прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку возбуждения. Физически это объясняется тем, что повышение напряжения U или уменьшение потока Ф вызывает увеличение разности (); это, в свою очередь, ведет к росту тока Ia. Вследствие этого возросший ток повышает вращающий момент, и если при этом нагрузочный момент остается неизменным, то частота вращения двигателя увеличивается.
Двигатель параллельного возбуждения
Схема включения в сеть двигателя параллельного возбуждения показана на рис. 29.3, а. Характерной особенностью этого двигателя является то, что ток в обмотке возбуждения (ОВ) не зависит от тока нагрузки (тока якоря). Реостат в цепи возбуждения rРГ служит для регулирования тока в обмотке возбуждения и магнитного потока главных полюсов.
Эксплуатационные свойства двигателя определяются его рабочими характеристиками, под которыми понимают зависимость частоты вращения n, тока I, полезного момента M2, вращающего момента М от мощности на валу двигателя Р2 при U = const и IB = const (рис. 29.3, б).
Для анализа зависимости n = f(P2), которую обычно называют скоростной характеристикой, обратимся к формуле (5), из которой видно, что при неизменном напряжении U на частоту вращения влияют два фактора: падение напряжения в цепи якоря и поток возбуждения Ф. При увеличении нагрузки уменьшается числитель (), при этом вследствие реакции якоря уменьшается и знаменательФ. Обычно ослабление потока, вызванное реакцией якоря, невелико и первый фактор влияет на частоту вращения сильнее, чем второй. В итоге частота вращения двигателя с ростом нагрузки Р2 уменьшается, а график n = f(P2) приобретает падающий вид с небольшой выпуклостью, обращенной к оси абсцисс. Если же реакция якоря в двигателе сопровождается более значительным ослаблением потока Ф, то частота вращения с увеличением нагрузки будет возрастать, как это показано штриховой кривой на рис. 29.3, б. Однако такая зависимость n = f(P2) является нежелательной, так как она, как правило, не удовлетворяет условию устойчивой работы двигателя: с ростом нагрузки на двигатель возрастает частота вращения, что ведет к дополнительному росту нагрузки и т. д., т. е. частота вращения n двигателя неограниченно увеличивается и двигатель идет «в разнос». Чтобы обеспечить характеристике частоты вращения форму падающей кривой, в некоторых двигателях параллельного возбуждения применяют легкую (с небольшим числом витков) последовательную обмотку возбуждения, которую называют стабилизирующей обмоткой. При включении этой обмотки согласованно с параллельной обмоткой возбуждения ее МДС компенсирует размагничивающее действие реакции якоря так, что поток Ф во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменным.
Рис. 29.3. Схема двигателя параллельного возбуждения (а) и его рабочие характеристики (б)
Изменение частоты вращения двигателя при переходе от номинальной нагрузки к х.х., выраженное в процентах, называют номинальным изменением частоты вращения:
(8)
где n0 — частота вращения двигателя в режиме х.х.
Обычно для двигателей параллельного возбуждения = 2 - 8%, поэтому характеристику частоты вращения двигателя параллельного возбуждения называютжесткой.
Зависимость полезного момента M2 от нагрузки установлена формулой. Приn = const график М2 = f(Р2) имел бы вид прямой. Однако с увеличением нагрузки частота вращения двигателя снижается, и поэтому зависимость М2 = f(P2) криволинейна.
При n = const вращающий момент двигателя М = М0 + М2. Так как рабочие характеристики двигателя строят при условии IB = const, что обеспечивает постоянство магнитных потерь в двигателе, то момент х.х. M0 = const. Поэтому график зависимости М = f(P2) проходит параллельно кривой М2 = f(P2). Если принять поток Ф = const, то график М2 = f(P2) является в то же время выражением зависимости I = f(P2) так как .
Рис. 29.4. Механические характеристики двигателя параллельного возбуждения:
а - при введении в цепь якоря добавочного сопротивления; б - при изменении основного магнитного потока; в - при изменении напряжения в цепи якоря
Механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения представляет собой прямую линию, несколько наклоненную к оси абсцисс (рис. 29.4, а). Угол наклона механической характеристики тем больше, чем больше значение сопротивления, включенного в цепь якоря. Механическую характеристику двигателя при отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря называют естественной (прямая 1). Механические характеристики двигателя, полученные при введении дополнительного сопротивления в цепь якоря, называют искусственными (прямые 2 и 3).
Вид механической характеристики зависит также и от значения основного магнитного потока Ф. Так, при уменьшении Ф увеличивается частота вращения х.х. n0 и одновременно увеличивается Δn. Это приводит к резкому увеличению наклона механической характеристики, т. е. к уменьшению ее жесткости (рис. 29.4, б).
При изменении напряжения на якоре U меняется частота вращения n0, а Δn остается неизменной. В итоге жесткость механической характеристики (если пренебречь влиянием реакции якоря) не меняется (рис. 29.4, в), т. е. характеристики смещаются по высоте, оставаясь параллельными друг другу.