Характеристики машин постоянного тока кратко

Обновлено: 06.07.2024

Коллекторные электродвигатели и генераторы постоянного тока выпускаются мощностью от долей ватта до десятков тысяч киловатт. Машины переменного тока находят применение в качестве приводных двигателей лишь для узкого круга специальных механизмов небольшой мощности, например как приводы некоторых бытовых приборов, электрифицированного ручного инструмента, медицинского оборудования, т. е. в тех случаях, когда для питания двигателей используется однофазный и реже трехфазный переменный ток, а характеристики асинхронных машин не удовлетворяют требованиям приводного механизма.

Коллекторные машины постоянного тока используются как двигатели и как генераторы. В промышленности более распространены двигатели, что объясняется все возрастающим применением различных статических выпрямителей, обеспечивающих промышленные установки энергией постоянного тока.
Широкое распространение двигателей постоянного тока несмотря на их более высокую стоимость и сложность эксплуатации по сравнению с асинхронными объясняется в первую очередь простыми и надежными способами регулирования частоты вращения, большими пусковыми моментами и перегрузочной способностью, чем у двигателей переменного тока. Наибольшее распространение двигатели постоянного тока получили в приводах, требующих глубокого регулирования частоты вращения (металлургическая промышленность, транспорт и т. п.).

Машины постоянного тока, конструкция

Основными конструктивными элементами машин постоянного тока (рис. 10.1) являются станина с закрепленными на ней главными и добавочными полюсами, вращающийся якорь с обмоткой и коллектором и щеточный аппарат. В машинах малой и средней мощностей станина одновременно служит и корпусом, к которому крепятся лапы для установки машины, и частью магнитопровода. По ней замыкается магнитный поток. В большинстве машин станина выполнена массивной, из стальных труб, либо сварной из листов конструкционной стали. В ряде машин станину выполняют шихтованной.

К внутренней поверхности станины крепят главные и добавочные полюсы Сердечники главных полюсов массивные либо набраны из листов стали толщиной 1—2 мм Сердечники добавочных почюсов, как правило, массивные На главных полюсах располагаются обмотки возбуждения (см, § 4 10); их МДС создают рабочий поток машины. Обмотки добавочных полюсов, расположенных по поперечным осям машины, служат для обеспечения нормальной коммутации

Магнитопровод якоря шихтуется из листов электротехнической стали. В машинах малой мощности сердечник якоря насаживается непосредственно на вал со шпонкой и фиксируется в осевом направлении буртиком вала и кольцевой шпонкой. С торцов якоря для предотвращения распушения листов во время работы установлены нажимные шайбы, совмещенные с обмоткодержате-лями.

Обмотки якорей (см § 4.7) двухслойные. В машинах мощностью до 15 — 20 кВт они выполнены из круглого провода и уложены в полузакрытые пазы. Обмотка крепится в пазовых частях пазовыми клиньями в лобовых — бандажами из стеклоленты или немагнитной стальной проволоки, ксторые прижимают их к обмоткодержателям. В постояннотоковых машинах большой мощности катушки обмотки якоря наматывают из прямоугольного провода и укладывают в открытые пазы. Крепление обмотки либо такое же, как и в машинах малой мощности, т е. клиньями в пазовой и бандажами в лобовой части, либо бандажами и в пазовой, и в лобовой части. Выводные концы каждой секции обмотки впаиваются в прорези коллекторных пластин.

Коллекторы в большинстве машин общего назначения цилиндрические. Торцевые коллекторы применяют лишь в некоторых машинах малой мощности специального назначения. Во всех цилиндрических коллекторах пластины имеют клиновидную форму с углом наклона, при котором пластины, собранные в кольцо, плотно прилегают друг к другу боковыми поверхностями и зажимают миканитовую изоляцию (рис. 10.2). Наибольшее распространение получили коллекторы, в которых пластины удерживаются в сжатом состоянии металлическими нажимными конусами (рис. 10 3) либо опрессовкой в пластмассу (рис. 10.4). В коллекторах с нажимными конусами пластины закрепляются передвижением переднего нажимного конуса по втулке коллектора. При этом создается давление на нижнюю часть ласточкина хвоста пластин и возникает арочный распор (см. рис. 10.2). Такие коллекторы называют арочными Пластины коллектора с расположенными между ними изоляционными прокладками образуют монолитное кольцо Нажимные конусы изолируют от пластин миканитовыми фигурными прокладками — манжетами, имеющими большую механическую прочность.

Коллекторы на пластмассе более просты в изготовлении, но в силу меньшей механической прочности и надежности не применяются в машинах большой мощности.

В некоторых быстроходных машинах, например в возбудителях турбогенераторов, из-за больших центробежных сил, действующих на пластины коллектора, прочность их крепления с помощью ласточкиных хвостов оказывается недостаточной и коллекторные пластины крепят на втулку с помощью внешних бандажных колец (рис. 10.5).

Щетки коллекторных машин устанавливают в щеткодержатели, закрепленные на щеточных пальцах, причем на каждом щеточном пальце может быть установлено по нескольку щеткодержателей и щеток, соединенных между собой параллельно. Число щеток и их размеры определяются номинальным током машины. Число щеточных пальцев должно быть равно числу полюсов машины. Двигатели с волновой обмоткой на якоре при отсутствии места для установки полного комплекта щеточных пальцев допускают установку неполного числа щеточных пальцев, что используется в некоторых конструкциях тяговых двигателей. Щеточные пальцы укреплены на траверсе, которая допускает поворот на некоторый угол вокруг оси машины для регулирования положения щеток на коллекторе.

В последние годы получают распространение бесколлекторные двигатели постоянного тока, в которых механический преобразователь тока — коллектор со щеточным аппаратом — заменен вентильным коммутатором. Вентильные двигатели имеют широкий диапазон регулирования частоты вращения и не имеют недостатков, связанных с работой скользящих контактов коллектор-щетки, характерных для коллекторных машин постоянного тока.

Машины постоянного тока, характеристики.

Характеристики машин постоянного тока определяются системой возбуждения: независимой, параллельной, последовательной или смешанной (рис. 10.6,а —г).

При независимой системе возбуждения обмотка возбуждения питается от постороннего источника постоянного тока и ток возбуждения не зависит от режима работы и нагрузки машины. Генераторы с независимой системой возбуждения допускают регулирование напряжения практически от нуля до номинального. Изменение напряжения при увеличении нагрузки определяется только размагничивающим действием реакции якоря и увеличением падения напряжения на сопротивлении якорной цепи.

Ток параллельной обмотки возбуждения генераторов с самовозбуждением меняется в зависимости от напряжения на выводах генератора и уменьшается с ростом нагрузки из-за размагничивающего действия реакции якоря, что в свою очередь приводит к добавочному увеличению падения напряжения. За счет этого номинальное падение напряжения генераторов с параллельным возбуждением больше, чем генераторов с независимым возбуждением.

В генераторах со смешанной системой возбуждения при согласном включении параллельной и последовательной обмоток поток стабилизируется, так как размагничивающее действие реакции якоря компенсируется изменением МДС последовательной обмотки, пропорциональным току нагрузки. Последовательную обмотку таких машин

называют стабилизирующей. Номинальное падение напряжения генераторов со стабилизирующей обмоткой мало. Некоторые генераторы выполнены со стабилизирующей обмоткой, при которой обеспечивается равенство UK0M = Ux, * (где t/x-x — напряжение холостого хода).

При встречном включении параллельной и последовательной обмоток возбуждения напряжение на выводах генератора резко падает с увеличением тока нагрузки. Такие системы возбуждения находят примене ние в сварочных генераторах постоянного тока

В двигателях параллельного возбуждения размагничивающее действие реакции якоря может вызвать неустойчивую работу, так как уменьшение потока с ростом нагрузки из-за действия реакции якоря при малом суммарном сопротивлении якорной цепи приводит к увеличению частоты вращения двигателя. Поэтому в большинстве двигателей средней и во всех двигателях большой мощности помимо параллельной устанавливается последовательная обмотка возбуждения, стабилизирующая магнит ный поток и придающая устойчивость механической характеристике (рис 107, а).

Регулирование частоты вращения машин постоянного тока.

В общем случае частота вращения двигателей постоянного тока определяется выражением

где U — напряжение, подводимое к якорю двигателя; 1_а — ток якоря; — сумма сопротивлений якоря и всех последовательно

включенных обмоток; С_Е — коэффициент, зависящий от обмоточных данных двигателя, Ф — магнитный поток машины.

Из приведенного выражения следует, что частота вращения двигателя при неизменной нагрузке может быть изменена регулированием питающего напряжения U, включением последовательно с якорем дополнительного регулировочного резистора (изменение У R_a) и изменением магнитного потока машины (изменением тока возбуждения), В практике применяются все три способа регулирования.

Регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения встречает трудности, связанные со сложностью преобразования напряжения постоянного тока. Для этой цели либо применяют статические преобразователи напряжения, либо питают двигатель от отдельного генератора постоянного тока, допускающего плавное регулирование напряжения (система генератор —двигатель). Такие системы применяют лишь для отдельных специальных приводов, требующих регулирования частоты вращения по сложной программе, например для главных двигателей прокатных станов.

Регулирование частоты вращения потоком является наиболее экономичным способом, так как потери в регулировочных резисторах, включаемых для этой цели последовательно с обмоткой возбуждения, невелики из-за малого тока возбуждения.

Однако этот способ позволяет лишь увеличивать частоту вращения двигателей по сравнению с номинальной. Такой способ регулирования предусмотрен для всех серийных двигателей постоянного тока.

Включение добавочного резистора в цепь якоря дает возможность плавно регулировать частоту вращения, но сопряжено с большими потерями в регулировочном реостате, по которому проходит полный ток нагрузки. Этот способ используется, например, для регулирования частоты вращения тяговых двигателей.

В современных системах регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока применяются тиристорные схемы, позволяющие осуществить регулирование частоты вращения в широких пределах по заданной программе. Датчиками частоты вращения для осуществления обратной связи при регулировании могут быть тахогенера- торы, размещенные на валу якоря двигателя (см. рис. 10.1).

Коммутация машин постоянного тока

Коммутация машин постоянного тока, т. е. изменение направления тока в секциях обмотки якоря при переходе секций от одного полюсного деления к другому, происходит при кратковременном замыкании их щетками на пластинах коллектора. При коммутации в короткозамкнутых секциях возникают реактивная ЭДС и ЭДС вращения, на водимая потоком реакции якоря, магнитные силовые линии которого пронизывают замкнутые при коммутации секции. Во время движения коллектора в момент отхода пластины коллектора от замыкающей данную секцию щетки происходит разрыв цепи (замкнутой секции), имеющей индуктивное сопротивление, и возникает искрение между сбегающим краем щетки и коллекторной пластиной. При неудовлетворительной коммутации искрение может быть значительным и может привести к местному повреждению коллектора, что в свою очередь ухудшает переходный контакт щетка —коллектор и усиливает искрение. Качество коммутации машины постоян иого тока оценивается по интенсивности искрения на коллекторе (табл. 10.1).

Таблица 10.1, Оценка степени искрения под сбргающим краем щеток по ГОСТ 183-74

Степеньискрения	Характеристика степени искрения	Состояние коллектора и щеток
1	Отсутствие искрения	Отсутствие почернения на коллекторе и следов нагара на щетках
il4	Слабое искрение под небольшой частью края щетки
\|i2	Слабое искрение под большей частью края щетки	Появление следов почернения на кол- [ лекторе и следов нагара на щетках, легко устраняемых протиранием по! верхности коллектора бензином
2	Искрение под всем краем щетки. Допускается только при кратковременных толчках нагрузки и перегрузки	Появление следов почернения на коллекторе и следов нагара на щетках, не устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином
3	Значительное искрение под всем краем щетки с появлением крупных и вылетающих искр.Допускается только при прямом включении или реверсировании машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для дальнейшей работы	Значительное почернение на коллекторе, не устраняемое протиранием поверхности коллектора бензином, а также подгар и частичное разрушение щеток

Для улучшения коммутации во всех машинах постоянного тока, кроме машин малой мощности, устанавливают добавочные полюсы, МДС которых компенсирует МДС реакции якоря по поперечной оси машины, т. е. в зоне расположения коммутируемых секций Кроме того, поток, создаваемый обмоткой добавочных полюсов, наводит в замкнутых при коммутации секциях ЭДС, несколько превышающую реак тивную ЭДС секций и направленную ей навстречу. Коммутация машины при этих условиях становится прямолинейной или даже ускоренной. Напряжение под сбегающим краем щеток уменьшается до весьма малых значений и искрение под щетками становится не опасным для работы машины

В крупных машинах постоянного тока кроме добавочных полюсов в пазах на наконечниках главных полюсов располагают компенсационную обмотку (см. § 4.8). Компенсационная обмотка предназначена для компенсации воздействия реакции якоря на поток возбуждения по продольной оси. Уменьшение влияния реакции якоря позволяет выполнять машины с уменьшенным воздушным зазором и улучшить их коммутацию.

Несмотря на то, что переменный ток активно применяется человеком в быту и на различных производствах, машины постоянного тока, несмотря на некоторую ограниченность, до сих пор активно применяются в различных сферах деятельности человека. Суть работы данных агрегатов одна – преобразование механической энергии в электрическую, и наоборот.

Сегодня мы расскажем вам много интересного про эти уже давно изобретенные агрегаты, которые до сих пор практически ни в чем не изменились.

Особенности двигателей постоянного тока

У двигателей постоянного тока есть одно неоспоримое преимущество перед аналогами, работающими на переменном токе. Эти агрегаты могут плавно и точно регулировать свою скорость вращения, у них высокое быстродействие, а также они обладают большими перегрузочными и пусковыми моментами.

Сегодня их используют в основном в следующих отраслях:

В металлорежущих станках, роботах, манипуляторах, грузоподъемных механизмах, прокатных станках (электроприводы подач и главного движения);
В тяговых приводах мощных транспортных средств, таких как: тягачи, троллейбусы, трамваи, электровозы;

В мощных снегоочистителях;
В качестве исполнительных элементов автоматизированных систем управления и прочее.

Как устроены машины, работающие на постоянном токе

Электрические машины постоянного тока являются обратимыми устройствами, то есть они при определенном подключении могут использоваться либо как двигатель, либо как генератор тока.

На картинке выше показано классическое строение такой машины:

Коллектор – металлический скользящий контакт, через который ротор коммутируется с внешними электрическими цепями;
Щетки (обычно графитовые или медно-графитовые) – ответная часть скользящего контакта, которая постоянно трется о коллектор при вращении ротора;

Ротор (якорь)- подвижная часть агрегата. При его вращении запускается процесс электромагнитной индукции.
Главные полюса;
Катушка обмотки возбуждения;

Совет! Пункты 4 и 5 являются частями статора – неподвижной электрической части машины, которая может выступать в роли мощного электромагнита (режим двигателя) или обмотки индуктирующей напряжение (генераторный режим).

Станина – корпус агрегата;
Боковая крышка, которая закрывает крыльчатку охлаждения и является держателем подшипников качения, на которых вращается ротор;
Вентилятор – призван охлаждать машину во время ее работы.

Интересно знать! Никакой двигатель не может преобразовывать энергию без потерь – ее часть всегда уходит в тепло.

Помимо этого конструкция имеет центральный вал вращения, который почему-то на схеме не отмечен, и иногда лапы – петли, через которые агрегат можно закрепить к столу, например.

Итак, основными рабочими частями машин постоянного тока являются ротор, который тут чаще называют якорем, и статор. Данную часть конструкции называют внутренней электрической. Существует также и внешняя электрическая часть, с помощью которой осуществляется управление двигателем, а также подключаются внешние электрические сети.

Остальные элементы относятся к механической части.

Станина машины постоянного тока делается из прочного металла – обычно это конструкционная сталь.
К внутренней части станины крепятся главные и добавочные полюса статора. Сердечники главных полюсов набираются из стальных пластин. Для добавочных полюсов они идут в основном массивные.
Обмотка возбуждения находится на главных полюсах – их МДС формируют рабочий поток. Обмотки добавочных полюсов обеспечивают нормальную коммутацию.

Роторный магнитопровод шихтуется из специальной электромагнитной стали.

Сам якорь имеет следующее строение:

Якорь имеет сердечник. Который, как уже было сказано, набирается из стальных пластин толщиной 0,35-0,5 мм. Пластины изолированы друг от друга тонким слоем лака или оксидной пленки, чтобы потери от вихревых токов были минимальными.
Снаружи сердечник имеет пазы, показанные в увеличенном виде на схеме выше. В эти пазы укладывается обмотка якоря, сделанная из специальной медной обмоточной проволоки, покрытой слоем изолирующего лака.
Проволока может быть круглого или прямоугольного сечения.
Обмотка внутри паза надежно крепится при помощи бандажей или клиньев из стальной проволоки.
Лобовая обмотка, выступающая за торцы сердечника, якоря крепится только бандажами.
Вся обмотка разбита на отдельные, изолированные друг от друга секции. Каждая из них соединяется в определенной последовательности с медными пластинами коллектора, к которым, так мы помним, за счет пружин прижимаются щетки.

Интересно знать! Контакт коллектора и щеток устроен таким образом, чтобы концы одной обмотки никогда не могли коротко замкнуться.

Вообще коллектор довольно простая, но многофункциональная деталь таких машин, предназначенная для выпрямления тока.
Состоит он из коллекторных пластин, называемых также ламелями.
Пластины изолированы друг от друга и элементов крепления манжетами и специальными прокладками.
С торцов пластины стягивают нажимные фланцы.
Коллектор должен иметь строго цилиндрическую форму, поэтому тщательно обтачивается на специальном оборудовании – таким же образом они могут восстанавливаться после коротких замыканий.

Идем дальше – на очереди щеточный аппарат:

Состоит он из щеточной траверсы и щеткодержателей со щетками.
Щеткодержатель имеет обойму, в которой и находится сама щетка. Под щеткой находится пружина, которая выталкивает ее наружу и тем самым прижимает к коллекторным пластинам.
От щеток отходят сборные шины, которые соединяют их с контактами машины.

При вращении ротора, между щетками и коллектором возникает искрение. Если оно будет слишком сильным, то возможно даже образование дугового разряда, что приведет к короткому замыканию и выходу агрегата из строя. Чтобы этого не произошло, и применяются дополнительные полюса обмотки.

На корпусе машины располагаются клеммы для подключения внешних цепей, а также паспортные данные.

Классификация машин постоянного тока

Способы возбуждения машин постоянного тока и включения главных полюсов делят машины на разные типы.

Выделяют следующие варианты:

Агрегаты с независимым возбуждением – Электрическая цепь, которую формирует обмотка возбуждения, никак не связана с силовой цепью ротора. Этот вариант практически единственный для генераторов постоянного тока.
Машины с параллельным возбуждением – цепь якоря и обмотка возбуждения включаются параллельно.
Варианты с последовательным возбуждением – не сложно сообразить, что обмотки соединяются последовательно – метод применяется на практике очень редко.
Машины со смешанным возбуждением – агрегаты имеют две обмотки возбуждения, одна из которых подключена к цепи ротора последовательно, а другая – параллельно.

Принцип работы на примере двигателя постоянного тока

Давайте посмотрим, как работает двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением.

Итак, к цепи обмотки возбуждения подается напряжение (U) – источник выдает постоянный ток.
Напряжение вызывает движение тока (Iв), который создает постоянную силу намагничивания (IвWв), которая в свою очередь приводит в состояние возбуждения магнитный поток (Ф), являющийся основным. Его направление зависит от направления тока в обмотке.
В это же время в якорной цепи проходит ток (Iя), создающий свое магнитное поле.
Прижимающиеся к коллектору щетки делят обмотку якоря на параллельные ветви.
Обмотка в якорь укладывается таким образом, чтобы ее проводники, находящиеся в состоянии активности, находились у противоположных поясов. При этом направление токов будет одинаковым, что и не удивительно.
В этот момент начинается взаимодействие электромагнитных сил, в результате которого электромагнитный момент начинает вращать якорь.

При вращении якоря проводники в его обмотке пересекают основной магнитный поток, в результате чего в них образуется ЭДС, согласно закону электромагнитной индукции. Направление ЭДС определяется правилом правой руки, знакомого нам еще со школьной скамьи: расположите правую руку так, чтобы в ладонь входили магнитные линии, тогда большой палец покажет, куда двигается проводник, а остальные 4 – направление ЭДС.
Известно, что наибольшее значение ЭДС получает тогда, когда активная обмотка проходит непосредственно возле магнитных полюсов. Дальше она убывает, а потом ток меняет свое направление, при условии, что цепь размыкаться не будет.
Если предположить, что обмотка якоря устроена таким образом, то работала бы такая машина крайне неэффективно. Именно поэтому в якорях машин постоянного тока реализован принцип смены активных секций обмотки, что происходит при вращении. В любой момент времени задействованы те секции, в которых значение ЭДС самое высокое.
ЭДС создает свое магнитное поле, называемое поперечным, так как оно перпендикулярно основному. При взаимодействии полей результирующий поток искажается.
Разность потоков устанавливает рабочие параметры машины.

Рабочие моменты

Давайте разберем некоторые характеристики и особенности машин постоянного тока.

Пуск и режим реверса

В момент, когда двигатель запускается, якорь имеет неподвижное положение, а значит, ЭДС в нем равна нулю. Из-за того, что сопротивление якорной обмотки очень маленькое, пусковой тока якоря намного превышает номинальный. Если представить себе такой пуск двигателя, то он однозначно бы вышел из строя.

Чтобы такого не происходило, пусковой ток в двигателях постоянного тока с параллельным возбуждением ограничивается за счет включенного в цепь пускового реостата.
Пуск при этом необходимо производить при номинальном значении магнитного потока, благодаря чему увеличивается пусковой момент и быстро растет ЭДС в обмотке якоря. В результате двигатель разгоняется быстрее, а время, когда проходит большой пусковой ток по обмотке сокращается.
Когда разгон двигателя завершается, реостат выводится из цепи – делается это либо плавно, либо ступенчато.
Для того чтобы остановить двигатель, достаточно отключить подачу питания к нему.
Для любого электрического двигателя доступен режим вращения в обратном направлении – реверс. Для этого нужно всего лишь изменить направление тока либо в обмотке якоря, либо в обмотке статора.

Интересно знать! Одновременное изменение направления токов ни к чему не приведет, двигатель продолжит вращаться в том же направлении.

Потери мощности и КПД

Любой двигатель или генератор постоянного тока работает с потерями мощности. Их делят на два типа: основные и добавочные.

К первым относят магнитные, электрические и механические.
Магнитные потери, происходящие в стали обозначают ΔРс. Происходят они из-за того, что во время вращения сердечник на якоре постоянно перемагничивается, поэтому возникают потери на гистерезис и вихревые токи.
Электрические потери (ΔРэл) происходят из-за активного сопротивления обмоток, а также сопротивления щеточного контакта, то есть данное значение представляется в виде суммы указанных потерь.
Механические (ΔРмех) включают потери на трение подшипников, трение щеток о коллектор, трение вращающегося якоря о воздух (и такое есть) и вентиляционные потери.
Все остальные потери называются добавочными и связаны они в основном с взаимодействием различных частей агрегата с магнитным полем.

Интересно знать! Потери мощности при работе в холостом режиме, то есть без нагрузки, крайне малы.

Для расчета каждого типа потерь применяются специальные формулы. Мы не будем так глубоко вдаваться в суть, а скажем лишь, что КПД машины постоянного тока определяется отношением отдаваемой мощности, к потребляемой. Выражают данное значение обычно в процентах.

Современные машины постоянного тока стали очень эффективными. КПД у них обычно варьируется в пределах 75-90%.

Рабочие характеристики

Рабочие характеристики представляют собой следующие зависимости:

Скорости вращения, потребляемого тока и мощности двигателя;
КПД от полезной мощности при условии, что напряжение питания неизменно.
Тока обмотки возбуждения и отсутствия добавочного сопротивления в цепи якоря.

Все эти параметры позволяют говорить о свойствах двигателей в режиме эксплуатации, а также находить оптимальные и экономичные режимы их работы.

Регулировка скорости вращения двигателя

Регулировать скорость вращения машины постоянного тока можно тремя способами: изменение напряжения сети, реостатное регулирование, изменение магнитного потока. Давайте обо всем по порядку.

Изменение напряжения осуществляется за счет устройств, которые могут, собственно, менять величину напряжения.
Реостатное регулирование, как мы уже упоминали по ходу статьи, нуждается во введении в цепь якоря дополнительных резисторов активного типа, то есть меняющих свои характеристики при определенных условиях.
Регулирование магнитного потока происходит за счет уменьшения тока возбуждения.

Конечно, мы назвали не все характеристики машин постоянного тока, а лишь основные, но для ознакомления с этими агрегатами этого вполне достаточно.

Описание механистических свойств для двигателей, которые питаются от постоянного тока помогает точно узнать все свойства конкретного агрегата. Кроме того, такое описание поможет определить, соответствует ли привод всем современным требованиям.

Особенность, объединяющая все электромоторы между собой – их строение. Каждый из них представлен ротором (элемент, приходящий в движение), расположенным наверху относительно статора (этот элемент всегда отсается неподвижным). Такие машины повсеместно используются в механизмах, ну чрезвычайно важна регулировка темпа с сохранением стабильной работы агрегата.

Конструктивно каждый из описываемых в статье приводов имеет следующий вид:

ротор, в строении которого присутствует много катушек со специфическим обмоточным покрытием (намотки);
статичный индуктор (статор), визуально имеет совершенно стандартный вид, однако характерен присутствием неких дополнений – полюсов;
щеточный коллектор в форме цилиндра, который расположен на валу (он имеет изоляцию из медных пластин);
контактные щетки (они достаточно надежно зафиксированы и используются для того, чтобы подвести достаточное количество электротока).

Контактные щетки в электроприводах с подобным питанием сделаны из графита или графита и меди. Из-за работы вала контактная группа замыкается и размыкается, что приводит к образованию искр. Передача ременного типа способствует поступлению некоторого количества энергии ко всем остальным частям агрегата.

Для синхронных приборов характерна смена задач, выполняемых статором и ротором. Статор – неподвижная часть устройства, созданная, чтобы возбуждать поле, в ротор – вращающаяся часть, предназначен для преобразования энергии.

Работа якоря, при влиянии на него поля, осуществляется с помощью электродвижущей силы (ЭДС), а направление движения определяется правилом правой руки. С поворотом в другую сторону, поворачивается и ЭДС.

С помощью щеток коллектор осуществляет соединение с витковыми сторонам, что удаляет пульсирующее напряжение и приводит к образованию электротоковой величины. Пульсация снижается с помощью добавочных витков.

Ротор привода (М) и катушка(LM) характерны последовательным включением. Они питаются от общего источника под буквой U. Электроток от ротора Iя – это и возбуждающий Iв.

Описанная выше схема определяет единственный фактор, отличающий прибор с последовательным видом подключения. Обмотка возбуждения двигателя с ПВ, обозначенная на рисунке как LM, имеет такое же сечение, как и катушка в якоре.

Когда ротор приходит во вращение, в его намотках действует электродвижущая сила (ЭДС) под буквой Е. На схеме видно, что ЭДС двигается навстречу к направлению U. В этом и заключается двигательный режим.

Величина Е вычисляется с помощью угловой скорости электропривода (ω), магнитного потока (Ф), конструктивного коэффициента (k=(p*N)/(2*π*a), в котором р – пары полюсов, N – активные проводники катушек, а – параллельные ветки обмоток ротора)):

Якорный электроток Ія и Е (а точнее, их направление) на рисунке выше изображено для режима машины.

Значения, допустимые для роторного тока, имеют некоторые ограничивающие условия. Это условия коммутации и прочности якоря. В целом, значение такого тока не должно быть выше стандартного Іян, чем в 2,5 раза, т.е.: Ія дополнительное ≤ 2,5 Iя ном.

Согласно уравнению равновесных напряжений, в действующем состоянии агрегата напряжение U, которое приложено к цепи ротора, уравновешивает снижение напряжения в этой цепи (ІяRяц) и ЭДС вращения Е:

Rяц = Rя+Rдп+Rко+Rв+Rп. Это формула суммарного сопротивления цепи якоря. Все пять показателей означают:

Rя – намотка якоря;
Rдп – намотка добавочных полюсов;
Rко – катушка компенсации;
Rв – обмотка возбуждения;
Rп – пусковой реостат.

В режиме, который уже становился, сопротивление катушки якоря вычисляют следующим образом:

Когда ЭДС равна нулю (как правило, в режиме пуска), ток якоря превышает допустимый диапазон значений. Чтобы ограничить пусковой электроток, используют пусковой реостат. Rп должна попадать в диапазон Iя пусковой ≤ Iя дополнительный.

Для получения аналитического выражения, с использованием которого можно вычислить параметры ДПТ, за основу нужно взять уравнение равновесия напряжений. Вместо Е (ЭДС вращения) туда нужно подставить ее значение и решить то, что получилось относительно скорости.

Итог – значение зависимости темпа привода ω от электротока Iя ω=f(Iя). Это выражение получило название электромеханической характеристики, а выглядит оно так:

ω = (U/kФ) — (Iя Rяц/kФ)

Аналитическое описание это кривой пока не дели, так что аналитически точно описать

черты машины постоянного тока с ПВ невозможно.

Если пренебречь насыщением магнитной системы и сделать предположение о том, что существует линейная зависимость между магнитным потоком Ф и якорным электротоком Iя (коэффициент пропорциональности при этом – α), т.е. Ф=αIя, то вычисление вращающего момента будет выглядеть вот так:

Значение Ія при этом будет таким:

Если подставить в уравнение, которые вычисляет электромеханические значения значение якорного тока, то свойства будут называться механическими, а выглядеть так:

при этом, А=U/k*α; В= Rяц /(k*α) – константы.

Если проанализировать уравнение механистической характеристики, получим следующее:

ось ординат – асимптота кривой;
в области значений малых моментов ось ординат обладает большей крутизной.

Когда сопротивление пускового реостата равно нулю, и напряжение U равно стандартному напряжению, рабочие параметры мотора естественная.

Чтобы построить такую характеристику, достаточно использовать универсальные параметры, которые, зачастую, приводятся в каталоге серии. Они представлены в виде зависимостей n=f(Iя), а также М= f(Iя), единицы при этом относительные. Если вы знаете номинальные значения привода, его свойства легко определить в абсолютной величине.

Особенность естественных черт – резкий рост скорости с одновременным уменьшением момента сопротивления (Мс). Эта особенность является главной причиной того, почему ДПТ с ПВ никогда не включают, когда момент сопротивления меньше 15/20% от Мн. Ведь в этом случае темп мотора может быть выше, чем ω дополнительное = 2,5ω номинальное.

Объясняется эта особенность во время рассмотрения процессов в приводе, когда нагрузка начинает уменьшаться. Например, машина, работая в точке А на естественных параметрах (скорость = ω1). Если Мс1 уменьшиться до Мс2, то появится положительный момент МД, а сам электродвигатель начнет действовать с большей скоростью.

В ДПТ с последовательным возбуждением ЭДС вращения – это функция:

скорости, которая увеличивается (ω);
уменьшающегося потока (Ф).

Результат – Е, а вместе с ней и ток якоря, а также М, не будут претерпать существенные изменения по мере нарастания темпа. Это сохранит МД и только способствует дальнейшему нарастанию темпа работы машины.

А если Rп принимает любое значение, кроме нуля, то снижение скорости (статическое, Δωс) станет гораздо заметнее, чем на естественных параметрах в условиях одинакового значения обоих моментов. Наклон характеристики реостата при этом будет к оси абсцисс.

В электроприводе с независимым включением катушка якоря подключается к отдельному источнику питания. В таком случает к цепи этой катушки включают реостат регулирования (rрег). К цепи якоря при этом подключают реостат пуска или добавочный реостат (Rп).

Характерное отличие двигателей с отдельным подключением заключается в независимости Iв от Iя. Это связано с тем, что намотка возбуждения получает отдельное питание.

Уравнение, с помощью которого описывают ДПТ с отдельным включением намотки, выглядит следующим образом:

В этом уравнении n0 означает частоту, с которой вращается вал во время холостого хода, а Δn показывает то, как изменяется эта частота при возникновении нагрузки на мотор.

Это уравнение доказывает прямолинейность параметров ДПТ с НВ, а также факт пересечения ими оси ординат в точке n0 (холостой ход).

В то же время Δn (величина изменения частоты вращения вала машины при росте нагрузки на него) прямо пропорционально сопротивлению якорной цепи Ra =∑R + R добавочное.

Следовательно, когда сопротивление якорной цепи наиболее низкое Ra = ∑R, т. е. R добав. = 0, величина перепада частоты вращения вала Δn тоже будет наименьшим.

Параметры при этом будут жесткими (график 1).

Как мы уже узнали из предыдущего раздела, естественными свойствами электромотора переменного тока называют такие характеристики, которые были получены при номинальном напряжении на намотках якоря и намотках возбуждения. Добавочное сопротивление при этом должно отсутствовать. Это показано на графике 1, где R добав. = 0.

При изменении хотя бы одного из параметров, приведенных ниже, т.е. при несоответствии напряжения на катушках (якоря или возбуждения) их значениям, или когда сопротивление якорной цепи меняется посредством введения R добав., свойства становятся искусственными.

Такие параметры, которые были получены посредством введения в якорную цепь добавочного сопротивления, еще называют реостатными (графики 2, 3).

Оценивание регулировочных черт ДПТ опирается на парметры n = f(М). Если момент нагрузки на вал не изменяется, а добавочное сопротивление растет, частота будет уменьшаться.

Вычисление добавочного R, помогающее получить механические признаки, что соответствуют необходимой частоте, с которой вращается вал, при некоторой нагрузке, как правило, номинальной для ДПТ с НВ происходит следующим образом:

Как видно, формула требует знания напряжения в цепи якоря, В; электротока якоря при той нагрузке, которая была задана, А; требуемой частоты работы вала агрегата, оборотов/минута; частоты работы вала при холостом ходе, оборотов/минута.

Частота вращения вала при холостом ходе – пограничная частота. Если ее превысить, то прибор автоматически перейдет в режим работы генератора. Такая частота выше стандартной на столько, на сколько величина стандартного напряжения выше номинальной электродвижущей якорной силы Eя. Нагрузка на машину при этом также носит номинальное значение.

Форма характеристики зависит от величины Ф (основной магнитный поток). Если R резистора растет, то Ф уменьшается, а частота работы вала во время холостого хода растет. Вместе с этим растет и разница между частотами вращения вала.

Такой процесс неизбежно приводит к тому, что жесткость механической характеристики привода растет.

При изменении напряжения в якорной обмотке (с условием неизменности Rдоб и Rрег), следом измениться только n0. Перепад частоты будет таким же. Итог – смещение механистических параметров по оси ординат, но сохранение параллельности между ними.

Созданные условия считаются наиболее благоприятными для того, чтобы регулировать частоту вала агрегата изменением напряжения, которое подводят к якорной цепи. Этот способ регулирования частоты получил самое больше распространение во всем мире.

1. Принципиальная схема включения двигателя постоянного тока смешанного возбуждения. 2. Зависимость момен та М и угловой скорости ω*, от тока якоря I*, для двигателя постоянного тока смешанного возбуждения (в относительных единицах).

В машине постоянного тока со смешанным возбуждением, как понятно из названия, есть две намотки: одна независимая (ОВ2), а вторая последовательная (ОВ1). Такая конструкция влияет и на свойства привода. Они находятся как бы посередине относительно ДПТ с последовательным и независимым возбуждением.

У электропривода со смешанным возбуждением нет аналитического выражения, что связано с изменением магнитного потока в случае уменьшения или увеличения нагрузки. Следовательно, расчет параметров обычно происходит с использованием естественной, которую можно найти в каталоге. Эти парметры можно увидеть на рисунке ниже.

Электромотор со СВ, в отличие от ДПТ с ПВ, обладает темпом идеально холостого хода в качестве конечного значения. Этот темп определяет только магнитный поток, возникший от магнитодвижущей силы намотка, которая подключена отдельно (Ф0). Вычисляется она так:

Соотношение магнитодвижущей силы независимых и последовательных обмоток отличается. Это значение зависит от серии, в которой был выпущен агрегат. Самым распространенным соотношением называют то, при котором МДС двух обмоток равны при условии номинального электротока.

Темп у электропривода постоянного тока со СВ сильно изменяется в условиях малой нагрузки, а если увеличивать ее постепенно, то уменьшаться темп будет практически по прямой, аналогично двигателю с отдельным подключением обмоток.

Связано это с тем, что большие нагрузки приводят к насыщению агрегата. В таком случае даже с изменением МДС катушек, подключенной последовательно, изменения магнитного потока совершенно не значительны.

Чтобы рассчитать реостатные свойства можно применять метод построения характеристики для двигателя постоянного электротока с параллельным возбуждением обмоток, который мы рассмотрели выше.

Механические характеристики двигателя постоянного тока смешанного возбуждения для различных режимов работы

Торможение двигателя такого типа может проходить с помощью трех способов:

когда энергия отдается в сеть;
динамический;
противовключение.

В первом случае, когда энергия отдается в сеть, электротоки в якоре и последовательно подключенной намотке меняют направления своего движения, что может привести к размагничиванию агрегата. Во избежание таких последствий, когда последовательная обмотка переходит через угловую скорость со0, ее шунтируют. Это делает прямыми те параметры, которые находятся в квадранте II на рисунке ниже.

Свойства при динамичном торможении выглядят так же, потому что такое торможение происходит, как правило, только в случае, когда включена одна параллельная катушка. Магнитный поток Ф при этом является постоянным.

Когда происходит торможение посредством противовключения, признаки такого способа нелинейные. На это влияет изменяющаяся МДС в намотке, подключенной последовательно с изменяющейся нагрузкой.

Машины с упомянутым типом питания, в независимости от типа подключения обмотки, получили широкое распространение во всем мире. На производствах его используют в следующих устройствах и приборах:

грузоподъемные краны на разных тяжелых производствах;
в приводах, которые требуют широкого диапазона регулирования скорости и высокого пускового момента (ими могут быть установки для подъема, различные станы (прокатные и обжимные);
приводы в механизмах, обеспечивающих напор, натяжение или для поворота экскаваторов;
в тяговых электромоторах (тепловозный и теплоходный транспорт, а также работающие в карьерах транспортные средства по типу самосвалов);
электростартеры в автомобилях и тракторах. Чтобы уменьшить номинальное напряжение в стартере автомобиля, использую ДПТ, которые оборудованы четырьмя щетками. Они способствуют значительному уменьшению комплексного сопротивления в якоре. В статоре при этом четырехполюсной, а сила пускового электротока в таких стартерах составляет 200 А. Они действуют в кратковременном режиме.

Двигатели с малой мощностью обычно ставят в:

игрушки
компьютерную технику
организационную (офисную) технику
инструменты с аккумуляторами.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

МAШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКA

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МAШИН ПОСТОЯННОГО ТОКA

Мaшины постоянного токa (МПТ) могут рaботaть и кaк генерaторы и кaк двигaтели. Если в мaшине происходит преобрaзовaние мехaнической энергии в электрическую, то онa нaзывaется генерaтор. Если электрическaя энергия преобрaзуется в мехaническую, то это двигaтель.

МПТ конструктивное не отличaются друг от другa. Тaкие мaшины нaзывaются обрaтимыми, т.е. любaя МПТ может рaботaть и кaк генерaтор и кaк двигaтель.

Мaшинa имеет неподвижную чaсть, которaя нaзывaется стaтор (индуктор) и подвижную- ротор (якорь).

. Индуктор создaет мaгнитное поле, которое воздействует нa якорь. При этом в якоре нaводится ЭДС (генерaтор), или он нaчинaет врaщaться (двигaтель).

Устройство мaшин постоянного токa

Мaшинa имеет неподвижный корпус (стaнинa поз.7), к которому крепятся основные (поз.4) и дополнительные полюсa. Основной полюс имеет сердечник (поз.6) и рaсширенную нижнюю чaсть- полюсный нaконечник. Нa сердечник устaнaвливaется обмоткa возбуждения (ОВ). Вместе они обрaзуют мaгнитный полюс. Полюсный нaконечник необходим для рaспределения мaгнитного потокa. Основных полюсов может выть несколько.

Дополнительные полюсa необходимы для снижения искрения под щеткaми.

К корпусу крепятся подшипниковые щиты. Они предстaвляют собой крышки мaшины и имеют специaльно рaсточенные отверстия, в которые устaнaвливaются подшипники якоря.

К неподвижной чaсти относится тaкже щеткодержaтель со щеткaми (поз.2). Щеткодержaтель предстaвляет собой обойму, в которую устaнaвливaется щеткa. Щеткa может быть грaфитовой или медногрaфитовой. Для обеспечения необходимого дaвления щетки нa коллектор, нa щетку устaнaвливaется нaжимнaя пружинa

Якорь мaшины в сборе

С обеих сторон нa вaл якоря нaпрессовывaются подшипники, которые устaнaвливaются в подшипниковые щиты и зaкрывaются подшипниковыми крышкaми.

Принцип рaботы мaшин постоянного токa

Принцип действия генерaторa основaн нa использовaнии зaконa электромaгнитной индукции.

Принцип рaботы генерaторa рaссмотрим с помощью рис.3. Якорь предстaвлен кaк рaмкa, состоящaя из одной секции с одним витком. Концы секции присоединены к двум изолировaнным однa от другой половинaм (полукольцaм) одного кольцa. Контaктные плaстины (щетки) скользят по этому кольцу. Тaкое кольцо, состоящее из изолировaнных полуколец, нaзывaют коллектором, a кaждое полукольцо — плaстиной коллекторa. Щетки нa коллекторе должны быть рaсположены тaким обрaзом, чтобы они при врaщении рaмки одновременно переходили с одного полукольцa

Якорь рaсположен в мaгнитном поле основных полюсов (С и Ю) и врaщaется в нем с помощью приводного двигaтеля. Соглaсно зaкону электромaгнитной индукции (имеется неподвижное мaгнитное поле и в нем врaщaется проводник), в секции будет нaводиться ЭДС

. В мaгнитном поле нaходятся две стороны секции, которые нaзывaются рaбочими и рaсположены они под рaзными полюсaми. Поэтому нaпрaвление ЭДС в них будет рaзное. Когдa рaмкa рaсположенa вертикaльно, то величинa ЭДС будет мaксимaльной. По мере ее врaщения угол между рaмкой и мaгнитными силовыми линиями уменьшaется, и ЭДС будет снижaться. Когдa рaмкa проходит через горизонтaльное положение ее рaбочие стороны скользят вдоль силовых линий, не пересекaя их, и ЭДС не индуктируется. При этом коллекторные плaстины зaмыкaются щеткaми, a ЭДС рaвнa 0. Зaтем рaмкa поворaчивaется, и коллекторные плaстины выходят из под щеток. Угол между рaмкой и мaгнитными силовыми линиями увеличивaется и ЭДС тaкже возрaстaет. Когдa рaмкa примет вертикaльное положение, ЭДС будет мaксимaльной, но нaпрaвление ее в сторонaх секции изменится нa противоположное. При дaльнейшем врaщении все повторится.

Следовaтельно, при врaщении рaмки в постоянном мaгнитном поле, в рaмке нaводится переменнaя ЭДС. Если якорь зaмкнуть нa нaгрузку, то в цепи появится переменный ток. Чтобы ток был постоянным по нaпрaвлению, нa коллекторные плaстины устaновлены неподвижные щетки. Поэтому незaвисимо от положения рaмки и коллекторa нaпрaвление токa через щетки будет постоянным. Чтобы ток не изменялся по знaчению, число секций и витков долно быть тaким, чтобы в кaждый момент времени под полюсaми нaходился виток. Тогдa через щетки постоянно будет проходить мaксимaльный ток.

При рaботе двигaтеля щетки подключaются к сети постоянного токa. Через них проходит постоянный ток. Чтобы вaл двигaтеля пришел в движение, необходимо создaть врaщaющий момент. Он создaется зa счет взaимодействия мaгнитного поля постоянных мaгнитов и мaгнитного поля, создaвaемого током, проходящим по обмотке якоря. При взaимодействии двух мaгнитных полей возникaет врaщaющий момент, т.к. возникaет пaрa сил, рaвных по величине и противоположно нaпрaвленных

Но при повороте вaлa двигaтеля ток и, соответственно, мaгнитное поле ослaбевaют врaщaющий момент пaдaет и двигaтель остaнaвливaется, Чтобы этого не произошло число витков должно быть тaким, чтобы в кaждый момент времени под полюсaми нaходился кaкой- либо виток. Тогдa мaгнитное поле будет постоянным и мaксимaльным, и двигaтель будет врaщaться с постоянной скоростью.

Читайте также: