Схема двигателя. Схема двигателя последовательного возбуждения изображена на рис. 1.31. Ток, потребляемый двигателем из сети, протекает по якорю и обмотке возбуждения, соединенной с якорем последовательно. Поэтому I = I я = I в.
Также последовательно с якорем включен пусковой реостат R п, который, как и у двигателя параллельного возбуждения, после выпуска выводится.
Уравнение механической характеристики. Уравнение механической характеристики может быть получено из формулы (1.6). При токах нагрузки, меньших (0,8 – 0,9) I ном, можно считать, что магнитная цепь двигателя не насыщена и магнитный поток Ф пропорционален току I: Ф = kI, где k = const. (При больших токах коэффициент k несколько уменьшается). Заменяя в (1.2) Ф, получаем М = С м kI откуда
Подставим Ф в (1.6):
n = 
(1.11)
График, соответствующий (1.11), представлен на рис. 1.32 (кривая 1). При изменении момента нагрузки частота вращения двигателя резко изменяется – характеристики подобного типа называются «мягкими». При холостом ходе, когда М » 0, частота вращения двигателя безгранично возрастает и двигатель «идет вразнос».
Ток, потребляемый двигателем последовательного возбуждения, при увеличении нагрузки растет в меньшей степени, чем у двигателя параллельного возбуждения. Это объясняется тем, что одновременно с ростом тока растет поток возбуждения и вращающий момент становится равным моменту нагрузки при меньшем токе. Эта особенность двигателя последовательного возбуждения используется там, где есть значительные механические перегрузки двигателя: на электрифицированном транспорте, в подъемно-транспортных механизмах и других устройствах.
Регулирование частоты вращения. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока, как указывалось выше, возможно тремя способами.
Изменение возбуждения можно осуществить включением реостата R р1 параллельно обмотке возбуждения (см. рис. 1.31) или включением реостата R р2 параллельно якорю. При включении реостата R р1 параллельно обмотке возбуждения магнитный поток Ф можно уменьшать от номинального до минимального Ф min . Частота вращения двигателя при этом будет увеличиваться (в формуле (1.11) уменьшается коэффициент k). Механические характеристики, соответствующие этому случаю, показаны на рис. 1.32, кривые 2, 3. При включении реостата параллельно якорю ток в обмотке возбуждения, магнитный поток и коэффициент k увеличиваются, а частота вращения двигателя уменьшается. Механические характеристики для этого случая изображены на рис. 1.32, кривые 4, 5. Однако регулирование вращения реостатом, включенном параллельно якорю, применяется редко, так как потери мощности в реостате и КПД двигателя уменьшается.
Изменение частоты вращения путем изменения сопротивления цепи якоря возможно при включении реостата R р3 последовательно в цепь якоря (рис. 1.31). Реостат R р3 увеличивает сопротивление цепи якоря, что ведет к уменьшению частоты вращения относительно естественной характеристики. (В (1.11) вместо R я надо подставить R я + R р3 .) Механические характеристики при этом способе регулирования представлены на рис. 1.32, кривые 6, 7. Подобное регулирование используется сравнительно редко из-за больших потерь в регулировочном реостате.
Наконец, регулирование частоты вращения изменением напряжения сети, как и в двигателях параллельного возбуждения, возможно только в сторону уменьшения частоты вращения при питании двигателя от отдельного генератора или управляемого выпрямителя. Механическая характеристика при этом способе регулирования изображена на рис. 1.32, кривая 8. При наличии двух двигателей, работающих на общую нагрузку, они с параллельного соединения могут переключаться на последовательное, напряжение U на каждом двигателе при этом уменьшается вдвое, соответственно уменьшается и частота вращения.
Тормозные режимы двигателя последовательного возбуждения. Режим генераторного торможения с отдачей энергии в сеть в двигателе последовательного возбуждения невозможен, так как получить частоту вращения n>n x не представляется возможным (n х = ).
Режим торможения противовключением можно получить, так же как в двигателе параллельного возбуждения, путем переключения выводов обмотки якоря или обмотки возбуждения.
Создающая магнитный поток для образования момента. Идуктор обязательно включает либо постоянные магниты либо обмотку возбуждения . Индуктор может быть частью как ротора так и статора. В двигателе, изображенном на рис. 1, система возбуждения состоит из двух постоянных магнитов и входит в состав статора.
Типы коллекторных электродвигателей
По конструкции статора коллекторный двигатель может быть и .
Схема коллекторного двигателя с постоянными магнитами
Коллекторный двигатель постоянного тока (КДПТ) с постоянными магнитами является наиболее распространенным среди КДПТ. этого двигателя включает постоянные магниты, которые создают магнитное поле статора. Коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами (КДПТ ПМ) обычно используются в задачах не требующих больших мощностей. КДПТ ПМ дешевле в производстве, чем коллекторные двигатели с обмотками возбуждения. При этом момент КДПТ ПМ ограничен полем постоянных магнитов статора. КДПТ с постоянными магнитами очень быстро реагирует на изменение напряжения. Благодаря постоянному полю статора легко управлять скоростью двигателя. Недостатком электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами является то, что со временем магниты теряют свои магнитные свойства, в результате чего уменьшается поле статора и снижаются характеристики двигателя.
- Преимущества:
- лучшее соотношение цена/качество
- высокий момент на низких оборотах
- быстрый отклик на изменение напряжения
- Недостатки:
- постоянные магниты со временем, а также под воздействием высоких температур теряют свои магнитные свойства
Коллекторный двигатель с обмотками возбуждения
- По схеме подключения обмотки статора коллекторные электродвигатели с обмотками возбуждения разделяют на двигатели:
Схема независимого возбуждения
Схема параллельного возбуждения
Схема последовательного возбуждения
Схема смешанного возбуждения
Двигатели независимого и параллельного возбуждения
В электродвигателях независимого возбуждения обмотка возбуждения электрически не связана с обмоткой (рисунок выше). Обычно напряжение возбуждения U ОВ отличается от напряжения в цепи якоря U. Если же напряжения равны, то обмотку возбуждения подключают параллельно обмотке якоря. Применение в электроприводе двигателя независимого или параллельного возбуждения определяется схемой электропривода. Свойства (характеристики) этих двигателей одинаковы .
В двигателях параллельного возбуждения токи обмотки возбуждения (индуктора) и якоря не зависят друг от друга, а полный ток двигателя равен сумме тока обмотки возбуждения и тока якоря. Во время нормальной работы, при увеличении напряжения питания увеличивается полный ток двигателя, что приводит к увеличению полей статора и ротора. С увеличением полного тока двигателя скорость так же увеличивается, а момент уменьшается. При нагружении двигателя ток якоря увеличивается, в результате чего увеличивается поле якоря. При увеличении тока якоря, ток индуктора (обмотки возбуждения) уменьшается, в результате чего уменьшается поле индуктора, что приводит к уменьшению скорости двигателя, и увеличению момента.
- Преимущества:
- практически постоянный момент на низких оборотах
- хорошие регулировочные свойства
- отсутствие потерь магнетизма со временем (так как нет постоянных магнитов)
- Недостатки:
- дороже КДПТ ПМ
- двигатель выходит из под контроля, если ток индуктора падает до нуля
Коллекторный электродвигатель параллельного возбуждения имеет с уменьшающимся моментом на высоких оборотах и высоким, но более постоянным моментом на низких оборотах. Ток в обмотке индуктора и якоря не зависит друг от друга, таким образом, общий ток электродвигателя равен сумме токов индуктора и якоря. Как результат данный тип двигателей имеет отличную характеристику управления скоростью. Коллекторный двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой возбуждения обычно используется в приложениях, которые требуют мощность больше 3 кВт, в частности в автомобильных приложениях и промышленности. В сравнении с , двигатель параллельного возбуждения не теряет магнитные свойства со временем и является более надежным. Недостатками двигателя параллельного возбуждения являются более высокая себестоимость и возможность выхода двигателя из под контроля, в случае если ток индуктора снизится до нуля, что в свою очередь может привести к поломке двигателя .
В электродвигателях последовательного возбуждения обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, при этом ток возбуждения равен току якоря (I в = I а), что придает двигателям особые свойства. При небольших нагрузках, когда ток якоря меньше номинального тока (I а < I ном) и магнитная система двигателя не насыщена (Ф ~ I а), электромагнитный момент пропорционален квадрату тока в обмотке якоря:
- где M – , Н∙м,
- с М – постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами двигателя,
- Ф – основной магнитный поток, Вб,
- I a – ток якоря, А.
С ростом нагрузки магнитная система двигателя насыщается и пропорциональность между током I а и магнитным потоком Ф нарушается. При значительном насыщении магнитный поток Ф с ростом I а практически не увеличивается. График зависимости M=f(I a) в начальной части (когда магнитная система не насыщена) имеет форму параболы, затем при насыщении отклоняется от параболы и в области больших нагрузок переходит в прямую линию .
Важно: Недопустимо включать двигатели последовательного возбуждения в сеть в режиме холостого хода (без нагрузки на валу) или с нагрузкой менее 25% от номинальной, так как при малых нагрузках частота вращения якоря резко возрастает, достигая значений, при которых возможно механическое разрушение двигателя, поэтому в приводах с двигателями последовательного возбуждения недопустимо применять ременную передачу, при обрыве которой двигатель переходит в режим холостого хода. Исключение составляют двигатели последовательного возбуждения мощностью до 100-200 Вт, которые могут работать в режиме холостого хода, так как их мощность механических и магнитных потерь при больших частотах вращения соизмерима с номинальной мощностью двигателя.
Способность двигателей последовательного возбуждения развивать большой электромагнитный момент обеспечивает им хорошие пусковые свойства.
Коллекторный двигатель последовательного возбуждения имеет высокий момент на низких оборотах и развивает высокую скорость при отсутствии нагрузки. Данный электромотор идеально подходит для устройств, которым требуется развивать высокий момент (краны и лебедки), так как ток и статора и ротора увеличивается под нагрузкой. В отличии от и двигателей параллельного возбуждения двигатель последовательного возбуждения не имеет точной характеристики контроля скорости, а в случае короткого замыкания обмотки возбуждения он может стать не управляемым.
Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения, одна из них включена параллельно обмотке якоря, а вторая последовательно. Соотношение между намагничивающими силами обмоток может быть различным, но обычно одна из обмоток создает большую намагничивающую силу и эта обмотка называется основной, вторая обмотка называется вспомогательной. Обмотки возбуждения могут быть включены согласовано и встречно, и соответственно магнитный поток создается суммой или разностью намагничивающих сил обмоток. Если обмотки включены согласно, то характеристики скорости такого двигателя располагаются между характеристиками скорости двигателей параллельного и последовательного возбуждения. Встречное включение обмоток применяется, когда необходимо получить неизменную скорость вращения или увеличение скорости вращения с увеличением нагрузки. Таким образом, рабочие характеристики двигателя смешанного возбуждения приближаются к характеристикам двигателя параллельного или последовательного возбуждения, смотря по тому, какая из обмоток возбуждения играет главную роль
17.Характеристики двигателя смешанного возбуждения.
Принципиальная схема электродвигателя смешанного возбуждения приведена на рис. 1. В этом двигателе имеются две обмотки возбуждения – параллельная (шунтовая, ШО), подключенная параллельно цепи якоря, и последовательная (сериесная,СО), подключенная последовательно цепи якоря. Эти обмотки по магнитному потоку могут быть включены согласно или встречно.
Рис. 1 - Схема электродвигателя смешанного возбуждения.
При согласном включении обмоток возбуждения их МДС складываются и результирующий поток Ф примерно равен сумме потоков, создаваемых обеими обмотками. При встречном включении результирующий поток равен разности потоков параллельной и последовательной обмоток. В соответствии с этим, свойства и характеристики электродвигателя смешанного возбуждения зависят от способа включения обмоток и от соотношения их МДС.
Скоростная характеристика n=f (Ia) при U=Uн и Iв=const (здесь Iв - ток в параллельной обмотке).
С увеличением нагрузки результирующий магнитный поток при согласном включении обмоток возрастает, но в меньшей степени, чем у двигателя последовательного возбуждения, поэтому скоростная характеристика в этом случае оказывается более мягкой, чем у двигателя параллельного возбуждения, но более жесткой, чем у двигателя последовательного возбуждения.
Соотношение между МДС обмоток может меняться в широких пределах. Двигатели со слабой последовательной обмоткой имеют слабо падающую скоростную характеристику (кривая 1, рис. 2).
Рис.
2 - Скоростные характеристики двигателя
смешанного возбуждения.
Чем больше доля последовательной обмотки в создании МДС, тем ближе скоростная характеристика приближается к характеристике двигателя последовательного возбуждения. На рис.2 линия 3 изображает одну из промежуточных характеристик двигателя смешанного возбуждения и для сравнения дана характеристика двигателя последовательного возбуждения (кривая 2).
При встречном включении последовательной обмотки с увеличением нагрузки результирующий магнитный поток уменьшается, что приводит к увеличению скорости двигателя (кривая 4). При такой скоростной характеристике работа двигателя может оказаться неустойчивой, т.к. поток последовательной обмотки может значительно уменьшить результирующий магнитный поток. Поэтому двигатели со встречным включением обмоток не применяются.
Механическая характеристика n=f (М) при U=Uн и Iв=const. двигателя смешанного возбуждения показана на рис.3 (линия 2).
Рис. 3 - Механические характеристики двигателя смешанного возбуждения.
Она располагается между механическими характеристиками двигателей параллельного (кривая 1) и последовательного (кривая 3) возбуждения. Подбирая соответствующим образом МДС обеих обмоток, можно получить электродвигатель с характеристикой, близкой к характеристике двигателя параллельного или последовательного возбуждения.
Область применения двигателей последовательного, параллельного и смешанного возбуждения.
Поэтому для двигателей последовательного возбуждения менее опасны перегрузки по моменту. В связи с этим двигатели последовательного возбуждения имеют существенные преимущества в случае тяжелых условий пуска и изменения момента нагрузки в широких пределах. Они широко применяются для электрической тяги (трамваи, метро, троллейбусы, электровозы и тепловозы на железных дорогах) и в подъемно-транспортных установках.
Естественные скоростная и механическая характеристики, область применения в двигателях параллельного возбуждения.
Естественные скоростная и механическая характеристики, область применения в двигателях смешанного возбуждения.
Двигатели постоянного тока в зависимости от способов их возбуждения, как уже отмечалось, делятся на двигатели с независимым , параллельным (шунтовым), последовательным (сериесным) и смешанным (компаундным) возбуждением.
Двигатели независимого возбуждения , требуют два источника питания (рис.11.9,а). Один из них необходим для питания обмотки якоря (выводы Я1 и Я2 ), а другой - для создания тока в обмотке возбуждения (выводы обмотки Ш1 и Ш2 ). Дополнительное сопротивление Rд в цепи обмотки якоря необходимо для уменьшения пускового тока двигателя в момент его включения.
С независимым возбуждением выполняются в основном мощные электрические двигатели с целью более удобного и экономичного регулирования тока возбуждения. Сечение провода обмотки возбуждения определяется в зависимости от напряжения ее источника питания. Особенностью этих машин является независимость тока возбуждения, а соответственно и основного магнитного потока, от нагрузки на валу двигателя.
Двигатели с независимым возбуждением по своим характеристикам практически совпадают с двигателями параллельного возбуждения.
Двигатели параллельного возбуждения включаются в соответствии со схемой, показанной на рис.11.9,б. Зажимы Я1 и Я2 относятся к обмотке якоря, а зажимы Ш1 иШ2 - к обмотке возбуждения (к шунтовой обмотке). Переменные сопротивления Rд и Rв предназначены соответственно для изменения тока в обмотке якоря и в обмотке возбуждения. Обмотка возбуждения этого двигателя выполняется из большого количества витков медного провода сравнительно малого сечения и имеет значительное сопротивление. Это позволяет подключать ее на полное напряжение сети, указанное в паспортных данных.
Особенностью двигателей этого типа является то, что при их работе запрещается отсоединять обмотку возбуждения от якорной цепи . В противном случае при размыкании обмотки возбуждения в ней появится недопустимое значение ЭДС, которое может привести к выходу из строя двигателя и к поражению обслуживающего персонала. По той же причине нельзя размыкать обмотку возбуждения и при выключении двигателя, когда его вращение еще не прекратилось.
С увеличением частоты вращения добавочное (дополнительное) сопротивление Rд в цепи якоря следует уменьшать, а при достижении установившейся частоты вращения – вывести полностью.
Рис.11.9. Виды возбуждения машин постоянного тока,
а - независимого возбуждения, б - параллельного возбуждения,
в - последовательного возбуждения, г - смешанного возбуждения.
ОВШ - обмотка возбуждения шунтовая, ОВС - обмотка возбуждения сериесная," ОВН - обмотка независимого возбуждения, Rд -дополнительное сопротивление в цепи обмотки якоря, Rв- дополнительное сопротивление в цепи обмотки возбуждения.
Отсутствие дополнительного сопротивления в обмотке якоря в момент пуска двигателя может привести к появлению большого пускового тока, превышающего номинальный ток якоря в 10...40 раз .
Важным свойством двигателя параллельного возбуждения служит практически постоянная его частота вращения при изменении нагрузки на валу якоря. Так при изменении нагрузки от холостого хода до номинального значения частота вращения уменьшается всего лишь на (2.. 8)% .
Второй особенностью этих двигателей служит экономичное регулирование частоты вращения, при котором отношение наибольшей скорости к наименьшей может составлять 2:1 , а при специальном исполнении двигателя - 6:1 . Минимальная частота вращения ограничивается насыщением магнитной цепи, которое не позволяет уже увеличивать магнитный поток машины, а верхний предел частоты вращения определяется устойчивостью машины - при значительном ослаблении магнитного потока двигатель может пойти «вразнос» .
Двигатели последовательного возбуждения (сериесные) включаются по схеме, (рис.11.9, в). Выводы С1 и С2 соответствуют сериесной (последовательной) обмотке возбуждения. Она выполняется из сравнительно малого числа витков в основном медного провода большого сечения. Обмотка возбуждения соединяется последовательно с обмоткой якоря . Дополнительное сопротивление Rд в цепи обмоток якоря и возбуждения позволяет уменьшить пусковой ток и производить регулирование частоты вращения двигателя. В момент включения двигателя оно должно иметь такую величину, при которой пусковой ток будет составлять (1,5...2,5)Iн . После достижения двигателем установившейся частоты вращения дополнительное сопротивление Rд выводится, то есть устанавливается равным нулю.
Эти двигатели при пуске развивают большие пусковые моменты вращения и должны запускаться при нагрузке не менее 25% ее номинального значения. Включение двигателя при меньшей мощности на его валу и тем более в режиме холостого хода не допускается . В противном случае двигатель может развить недопустимо большие обороты, что вызовет выход его из строя . Двигатели этого типа широко применяются в транспортных и подъемных механизмах, в которых необходимо изменять частоту вращения в широких пределах.
Двигатели смешанного возбуждения (компаундные), занимают промежуточное положение между двигателями параллельного и последовательного возбуждения (рис.11.9, г). Большая принадлежность их к тому или другому виду зависит от соотношения частей основного потока возбуждения, создаваемых параллельной или последовательной обмотками возбуждения. В момент включения двигателя для уменьшения пускового тока в цепь обмотки якоря включается дополнительное сопротивление Rд . Этот двигатель обладает хорошими тяговыми характеристиками и может работать в режиме холостого хода.
Прямое (безреостатаное) включение двигателей постоянного тока всех видов возбуждения допускается мощностью не более одного киловатта.
Обозначение машин постоянного тока
В настоящее время наиболее широкое распространение получили машины постоянного тока общего назначения серии 2П и наиболее новой серии 4П. Кроме этих серий выпускаются двигатели для крановых, экскаваторных, металлургических и других приводов серии Д. Изготавливаются двигатели и специализированных серий .
Двигатели серий 2П и 4П подразделяются по оси вращения, как это принято для асинхронных двигателей переменного тока серии4А . Машины серии2П имеют 11 габаритов, отличающихся по высоте вращения оси от 90 до 315 мм. Диапазон мощностей машин этой серии составляет от 0,13 до 200 кВт для электрических двигателей и от 0,37 до 180 кВт для генераторов. Двигатели серий 2П и 4П рассчитываются на напряжение 110, 220, 340 и 440 В. Их номинальные частоты вращения составляют 750, 1000, 1500,2200 и 3000 об/мин.
Каждый из 11 габаритов машин серии 2П имеет станины двух длин (М и L ).
Электрические машины серии 4П имеют лучшие некоторые технико - экономические показатели по сравнению с серией 2П . трудоемкость изготовления серии 4П по сравнению с 2П снижена в 2,5...3 раза. При этом расход меди снижается на 25...30 %. По ряду конструктивных особенностей, в том числе по способу охлаждения, по защите от атмосферных воздействий, по использованию отдельных деталей и узлов машины серии 4П унифицированы с асинхронными двигателями серии 4А иАИ .
Обозначение машин постоянного тока (как генераторов, так и двигателей) представляется следующим образом:
ПХ1Х2ХЗХ4 ,
где 2П - серия машины постоянного тока;
XI - исполнение по типу защиты: Н - защищенное с самовентиляцией, Ф - защищенное с независимой вентиляцией, Б - закрытое с естественным охлаждением, О - закрытое с обдувом от постороннего вентилятора;
Х2 - высота оси вращения (двухзначное или трехзначное число) в мм;
ХЗ - условная длина статора: М - первая, L - вторая, Г - с тахогенератором;
В качестве примера можно привести обозначение двигателя 2ПН112МГУ - двигатель постоянного тока серии 2П , защищенного исполнения с самовентиляцией Н ,112 высота оси вращения в мм, первый размер статораМ , укомплектован тахогенератором Г , используется для умеренного климатаУ .
По мощностям электрические машины постоянного тока условно могут быть подразделены на следующие группы :
Микромашины ………………………...меньше 100 Вт,
Мелкие машины ………………………от 100 до 1000 Вт,
Машины малой мощности…………..от 1 до 10 кВт,
Машины средней мощности………..от 10 до 100 кВт,
Крупные машины……………………..от 100 до 1000 кВт,
Машины большой мощность……….более 1000 кВт.
По номинальным напряжениям электрические машины подразделяются условно следующим образом:
Низкого напряжения…………….меньше 100 В,
Среднего напряжения ………….от 100 до 1000 В,
Высокого напряжения……………выше 1000В.
По частоте вращения машины постоянного тока могут быть представлены как:
Тихоходные…………….менее 250 об/мин.,
Средней скорости………от 250 до 1000 об/мин.,
Быстроходные………….от 1000 до 3000 об/мин.
Сверхбыстроходные…..выше 3000 об/мин.
Задание и методика выполнения работы.
1.Изучить устройство и назначение отдельных частей электрических машин постоянного тока.
2.Определить выводы машины постоянного тока, относящиеся к обмотке якоря и к обмотке возбуждения.
Выводы, соответствующие той или иной обмотке, могут быть определены мегомметром, омметром или с помощью электрической лампочки. При использовании мегомметра один его конец присоединяется к одному из выводов обмоток, а другим поочередно касаются к остальным. Измеренное сопротивление, равное нулю, укажет на соответствие двух выводов одной обмотки.
3.Распознать по выводам обмотку якоря и обмотку возбуждения. Определить вид обмотки возбуждения (параллельного возбуждения или последовательного).
Этот опыт можно осуществить с помощью электрической лампочки, подключаемой последовательно с обмотками Постоянное напряжение следует подавать плавно, постепенно повышая его до указанного номинального значения в паспорте машины.
С учетом малого сопротивления якорной обмотки и обмотки последовательного возбуждения лампочка загорится ярко, а их сопротивления, измеренные мегомметром (или омметром) будут практически равны нулю.
Лампочка, соединенная последовательно с параллельной обмоткой возбуждения, будет гореть тускло. Значение сопротивления параллельной обмоткой возбуждения должно находиться в пределах 0,3...0,5 кОм .
Выводы якорной обмотки можно распознать путем присоединения одного конца мегомметра к щеткам, касаясь при этом другим его концом к выводам обмоток на щитке электрической машины.
Выводы обмоток электрической машины следует обозначить на изображенной в отчете условной этикетке выводов.
Измерить сопротивления обмоток и сопротивление изоляции. Сопротивление обмоток можно измерить по схеме амперметра и вольтметра. Сопротивление изоляции между обмотками и обмотками относительно корпуса проверяется мегомметром, рассчитанным на напряжение 1 кВ. Сопротивление изоляции между обмоткой якоря и обмоткой возбуждения и между ними и корпусом должно быть не ниже 0,5 МОм
. Данные замеров отобразить в отчете.
Изобразить условно в поперечном разрезе главные полюсы с обмоткой возбуждения и якорь с витками обмотки, находящимися под полюсами (подобно рис.11.10). Самостоятельно принять направление тока в обмотках возбуждения и якоря. Указать при этих условиях направление вращения двигателя.
Рис. 11.10. Двухполюсная машина постоянного тока:
1 - станина; 2 -якорь; 3 - главные полюсы; 4 - обмотка возбуждения; 5 - полюсные наконечники; 6 - обмотка якоря; 7 - коллектор; Ф - основной магнитный поток; F - сила, действующая на проводники обмотки якоря.
Контрольные вопросы и задания для самостоятельной подготовки
1: Объяснить устройство и принцип действия двигателя и генератора постоянного тока.
2. Пояснить назначение коллектора машин постоянного тока.
3.Дать понятие полюсного деления и привести выражение для его определения.
4.Назвать основные виды обмоток, применяемых в машинах постоянного тока, и знать способы их выполнения.
5.Указать основные достоинства двигателей параллельного возбуждения.
6.Каковы конструктивные особенности обмотки параллельного возбуждения по сравнению с обмоткой последовательного возбуждения?
7.В чем особенность пуска двигателей постоянного тока последовательного возбуждения?
8.Сколько параллельных ветвей имеют простая волновая и простая петлевая обмотки машин постоянного тока?
9.Как обозначаются машины постоянного тока? Привести пример обозначения.
10.Какой величины допускается сопротивление изоляции между обмотками машин постоянного тока и между обмотками и корпусом?
11.Какой величины может достигнуть ток в момент пуска двигателя при отсутствии дополнительного сопротивления в цепи обмотки якоря?
12.Какой величины допускается пусковой ток двигателя?
13.В каких случаях допускается пуск двигателя постоянного тока без дополнительного сопротивления в цепи обмотки якоря?
14.За счет чего можно изменить ЭДС генератора независимого возбуждения?
15.Каково назначение дополнительных полюсов машины постоянного тока?
16.При каких нагрузках допускается включение двигателя последовательного возбуждения?
17.Чем определяется величина основного магнитного потока?
18.Написать выражения ЭДС генератора и момента вращения двигателя. Дать понятие входящих в них составляющих.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 12.
Двигатель смешанного возбуждения
Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную (рис. 29.12, а). Частота вращения этого двигателя
, (29.17)
где и - потоки параллельной и последовательной обмоток возбуждения.
Знак плюс соответствует согласованному включению обмоток возбуждения (МДС обмоток складываются). В этом случае с увеличением нагрузки общий магнитный поток возрастает (за счет потока последовательной обмотки ), что ведет к уменьшению частоты вращения двигателя. При встречном включении обмоток поток при увеличении нагрузки размагничивает машину (знак минус), что, наоборот, повышает частоту вращения. Работа двигателя при этом становится неустойчивой, так как с увеличением нагрузки частота вращения неограниченно растет. Однако при небольшом числе витков последовательной обмотки с увеличением нагрузки частота вращения не возрастает и во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменной.
На рис. 29.12, б показаны рабочие характеристики двигателя смешанного возбуждения при согласованном включении обмоток возбуждения, а на рис. 29.12, в - механические характеристики. В отличие от механических характеристик двигателя последовательного возбуждения последние имеют более пологий вид.
Рис. 29.12. Схема двигателя смешанного возбуждения (а), его рабочие (б) и механические (в) характеристики
Следует отметить, что по своей форме характеристики двигателя смешанного возбуждения занимают промежуточное положение между соответствующими характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения в зависимости от того, в какой из обмоток возбуждения (параллельной или последовательной) преобладает МДС.
Двигатель смешанного возбуждения имеет преимущества по сравнению с двигателем последовательного возбуждения. Этот двигатель может работать вхолостую, так как поток параллельной обмотки ограничивает частоту вращения двигателя в режиме х.х. и устраняет опасность «разноса». Регулировать частоту вращения этого двигателя можно реостатом в цепи параллельной обмотки возбуждения. Однако наличие двух обмоток возбуждения делает двигатель смешанного возбуждения более дорогостоящим по сравнению с двигателями рассмотренных выше типов, что несколько ограничивает его применение. Двигатели смешанноговозбуждения применяют обычно там, где требуются значительные пусковые моменты, быстрое ускорение при разгоне, устойчивая работа и допустимо лишь небольшое снижение частоты вращения при увеличении нагрузки на вал (прокатные станы, грузовыеподъемники, насосы, компрессоры).
49. Пусковые и перегрузочные свойства двигателей постоянного тока.
Пуск двигателя постоянного тока прямым включением его на напряжение сети допустим только для двигателей небольшой мощности. При этом пик тока в начале пуска может быть порядка 4 - 6-кратного номинального. Прямой пуск двигателей постоянного тока значительной мощности совершенно недопустим, потому что начальный пик тока здесь будет равен 15 - 50-кратному номинальному. Поэтому пуск двигателей средних и больших мощностей производят при помощи пускового реостата, который ограничивает ток при пуске до допустимых по коммутации и механической прочности значений.
Пусковой реостат выполняется из провода или ленты с высоким удельным сопротивлением, разделенных на секции. Провода присоединяются к медным кнопочным или плоским контактам в местах перехода от одной секции к другой. По контактам перемещается медная щетка поворотного рычага реостата. Реостаты могут иметь и другое выполнение. Ток возбуждения при пуске двигателя с параллельным возбуждением устанавливается соответствующим нормальной работе, цепь возбуждения включается прямо на напряжение сети, чтобы не было уменьшения напряжения, обусловленного падением напряжения в реостате (см. рис. 1).
Необходимость иметь нормальный ток возбуждения связана с тем, что при пуске двигатель должен развивать возможно больший допустимый момент Мэм, необходимый для обеспечения быстрого разгона. Пуск двигателя постоянного тока производится при последовательном уменьшении сопротивления реостата, обычно - путем перевода рычага реостата с одного неподвижного контакта реостата на другой и выключения секций; уменьшение сопротивления может производиться и путем замыкания накоротко секций контакторами, срабатывающими по заданной программе.
При пуске вручную или автоматически ток изменяется от максимального значения, равного 1,8 -2,5-кратному номинальному в начале работы при данном сопротивлении реостата, до минимального значения, равного 1,1 - 1,5-кратному номинальному в конце работы и перед переключением на другое положение пускового реостата. Ток якоря после включения двигателя при сопротивлении реостата rп составляет
где Uс - напряжение сети.
После включения начинается разгон двигателя, при этом возникает противо-ЭДС Е и уменьшается ток якоря. Если учесть, что механические характеристики n = f1(Mн) и n = f2 (Iя) практически линейны, то при разгоне увеличение скорости вращения будет происходить по линейному закону в зависимости от тока якоря (рис. 1).
Рис. 1. Диаграмма пуска двигателя постоянного тока
Пусковая диаграмма (рис. 1) для различных сопротивлений в цепи якоря представляет собой отрезки линейных механических характеристик. При уменьшении тока якоря IЯ до значения Imin выключается секция реостата с сопротивлением r1 и ток возрастает до значения
где E1 - ЭДС в точке А характеристики; r1-сопротивление выключаемой секции.
Затем снова происходит разгон двигателя до точки В, и так далее вплоть до выхода на естественную характеристику, когда двигатель будет включен прямо на напряжение Uc. Пусковые реостаты рассчитаны по нагреву на 4 -6 пусков подряд, поэтому нужно следить, чтобы в конце пуска пусковой реостат был полностью выведен.
При остановке двигатель отключается от источника энергии, а пусковой реостат полностью включается - двигатель готов к следующему пуску. Для устранения возможности появления больших ЭДС самоиндукции при разрыве цепи возбуждения и при ее отключении цепь может замыкаться на разрядное сопротивление.
В регулируемых приводах пуск двигателей постоянного тока производится путем постепенного повышения напряжения источника питания так, чтобы ток при пуске поддерживался в требуемых пределах или сохранялся в течение большей части времени пуска примерно неизменным. Последнее можно осуществить путем автоматического управления процессом изменения напряжения источника питания в системах с обратными связями.
Пуск и Остановка МПТ
Прямым включением его на напряжение сети допустим только для двигателей небольшой мощности. При этом пик тока в начале пуска может быть порядка 4 - 6-кратного номинального. Прямой пуск двигателей постоянного тока значительной мощности совершенно недопустим, потому что начальный пик тока здесь будет равен 15 - 50-кратному номинальному. Поэтому пуск двигателей средних и больших мощностей производят при помощи пускового реостата, который ограничивает ток при пуске до допустимых по коммутации и механической прочности значений.
Пуск двигателя постоянного тока производится при последовательном уменьшении сопротивления реостата, обычно - путем перевода рычага реостата с одного неподвижного контакта реостата на другой и выключения секций; уменьшение сопротивления может производиться и путем замыкания накоротко секций контакторами, срабатывающими по заданной программе.
При пуске вручную или автоматически ток изменяется от максимального значения, равного 1,8 -2,5-кратному номинальному в начале работы при данном сопротивлении реостата, до минимального значения, равного 1,1 - 1,5-кратному номинальному в конце работы и перед переключением на другое положение пускового реостата.
Торможение необходимо для того, чтобы уменьшить время выбега двигателей, которое при отсутствии торможения может быть недопустимо велико, а также для фиксации приводимых механизмов в определенном положении. Механическое торможение двигателей постоянного тока обычно производится при наложении тормозных колодок на тормозной шкив. Недостатком механических тормозов является то, что тормозной момент и время торможения зависят от случайных факторов: попадания масла или влаги на тормозной шкив и других. Поэтому такое торможение применяется, когда не ограничены время и тормозной путь.
В ряде случаев после предварительного электрического торможения при малой скорости можно достаточно точно произвести остановку механизма (например, подъемника) в заданном положении и зафиксировать его положение в определенном месте. Такое торможение применяется и в аварийных случаях.
Электрическое торможение обеспечивает достаточно точное получение требуемого тормозящего момента, но не может обеспечить фиксацию механизма в заданном месте. Поэтому электрическое торможение при необходимости дополняется механическим, которое входит в действие после окончания электрического.
Электрическое торможение происходит, когда ток протекает согласно с ЭДС двигателя. Возможны три способа торможения.
Торможение двигателей постоянного тока с возвратом энергии в сеть. При этом ЭДС Е должна быть больше напряжения источника питания UС и ток будет протекать в направлении ЭДС, являясь током генераторного режима. Запасенная кинетическая энергия будет преобразовываться в электрическую и частично возвращаться в сеть. Схема включения показана на рис. 2, а.
Рис. 2. Схемы электрического торможения двигателей постоянного тока: я - с возвратом энергии в сеть; б - при противовключении; в - динамическое торможение
Торможение двигателя постоянного тока может быть выполнено, когда уменьшается напряжение источника питания так, что Uc< Е, а также при спуске грузов в подъемнике и в других случаях.
Торможение при противовключении выполняется путем переключения вращающегося двигателя на обратное направление вращения. При этом ЭДС Е и напряжение Uc в якоре складываются, и для ограничения тока I следует включать резистор с начальным сопротивлением
где Imах - наибольший допустимый ток.
Торможение связано с большими потерями энергии.
Динамическое торможение двигателей постоянного тока выполняется при включении на зажимы вращающегося возбужденного двигателя резистора rт (рис. 2, в). Запасенная кинетическая энергия преобразуется в электрическую и рассеивается в цепи якоря как тепловая. Это наиболее распространенный способ торможения.
Схемы включения двигателя постоянного тока параллельного (независимого) возбуждения: а - схема включения двигателя, б - схема включения при динамическом торможении, в - схема для противовключения.
Переходные процессы в МПТ
В общем случае в электрической цепи переходные процессы могут возникать, если в цепи имеются индуктивные и емкостные элементы, обладающие способностью накапливать или отдавать энергию магнитного или электрического поля. В момент коммутации, когда начинается переходный процесс, происходит перераспределение энергии между индуктивными, емкостными элементами цепи и внешними источниками энергии, подключенными к цепи. При этом часть энергия безвозвратно преобразуется в другие виды энергий (например, в тепловую на активном сопротивлении).
После окончания переходного процесса устанавливается новый установившийся режим, который определяется только внешними источниками энергии. При отключении внешних источников энергии переходный процесс может возникать за счет энергии электромагнитного поля, накопленной до начала переходного режима в индуктивных и емкостных элементах цепи.
Изменения энергии магнитного и электрического полей не могут происходить мгновенно, и, следовательно, не могут мгновенно протекать процессы в момент коммутации. В самом деле, скачкообразное (мгновенное) изменение энергии в индуктивном и емкостном элементе приводит к необходимости иметь бесконечно большие мощности p = dW/dt, что практически невозможно, ибо в реальных электрических цепях бесконечно большой мощности не существует.
Таким образом, переходные процессы не могут протекать мгновенно, так как невозможно в принципе мгновенно изменять энергию, накопленную в электромагнитном поле цепи. Теоретически переходные процессы заканчиваются за время t→∞. Практически же переходные процессы являются быстропротекающими, и их длительность обычно составляет доли секунды. Так как энергия магнитного W М и электрического полей W Э описывается выражениями
то ток в индуктивности и напряжение на емкости не могут изменяться мгновенно. На этом основаны законы коммутации.
Первый закон коммутации состоит в том, что ток в ветви с индуктивным элементом в начальный момент времени после коммутации имеет то же значение, какое он имел непосредственно перед коммутацией, а затем с этого значения он начинает плавно изменяться. Сказанное обычно записывают в виде i L (0 -) = i L (0 +), считая, что коммутация происходит мгновенно в момент t = 0.
Второй закон коммутации состоит в том, что напряжение на емкостном элементе в начальный момент после коммутации имеет то же значение, какое оно имело непосредственно перед коммутацией, а затем с этого значения оно начинает плавно изменяться: U C (0 -) = U C (0 +).
Следовательно, наличие ветви, содержащей индуктивность, в цепи, включаемой под напряжение, равносильно разрыву цепи в этом месте в момент коммутации, так как i L (0 -) = i L (0 +). Наличие в цепи, включаемой под напряжение, ветви, содержащей разряженный конденсатор, равносильно короткому замыканию в этом месте в момент коммутации, так как U C (0 -) = U C (0 +).
Однако в электрической цепи возможны скачки напряжений на индуктивностях и токов на емкостях.
В электрических цепях с резистивными элементами энергия электромагнитного поля не запасается, вследствие чего в них переходные процессы не возникают, т.е. в таких цепях стационарные режимы устанавливаются мгновенно, скачком.
В действительности любой элемент цепи обладает каким-то сопротивлением r, индуктивностью L и емкостью С, т.е. в реальных электротехнических устройствах существуют тепловые потери, обусловленные прохождением тока и наличием сопротивления r, а также магнитные и электрические поля.
Переходные процессы в реальных электротехнических устройствах можно ускорять или замедлять путем подбора соответствующих параметров элементов цепей, а также за счет применения специальных устройств
52. Магнитогидродинамические машины постоянного тока. Магнитная гидродинамика (МГД) является областью науки, изучающей законы физических явлений в электропроводящих жидких и газовых средах при их движении в магнитном поле. На этих явлениях основан принцип действия различных магнитогидродинамических (МГД) машин постоянного и переменного тока. Некоторые МГД машины находят применение в различных областях техники, а другие имеют значительные перспективы применения в будущем. Ниже рассматриваются принципы устройства и действия МГД машин постоянного тока.
Электромагнитные насосы для жидких металлов
Рисунок 1. Принцип устройства электромагнитного насоса постоянного тока
В насосе постоянного тока (рисунок 1) канал 2 с жидким металлом помещается между полюсами электромагнита 1 и с помощью электродов 3, приваренных к стенкам канала, через жидкий металл пропускается постоянный ток от внешнего источника. Так как ток к жидкому металлу в данном случае подводится кондуктивным путем, то такие насосы называются также кондукционными.
При взаимодействии поля полюсов с током в жидком металле на частицы металла действуют электромагнитные силы, развивается напор и жидкий металл приходит в движение. Токи в жидком металле искажают поле полюсов ("реакция якоря"), что приводит к снижению эффективности насоса. Поэтому в мощных насосах между полюсными наконечниками и каналом помещаются шины ("компенсационная обмотка"), которые включаются последовательно в цепь тока канала во встречном направлении. Обмотка возбуждения электромагнита (на рисунке 1 не показана) обычно включается последовательно в цепь тока канала и имеет при этом только 1 – 2 витка.
Применение кондукционных насосов возможно для малоагрессивных жидких металлов и при таких температурах, когда стенки канала можно изготовить из жаропрочных металлов (немагнитные нержавеющие стали и так далее). В противном случае более подходящими являются индукционные насосы переменного тока.
Насосы описанного типа стали находить применение около 1950 года в исследовактельских целях и в таких установках с ядерными реакторами, в которых для отвода тепла из реакторов используются жидкометаллические носители: натрий, калий, их сплавы, висмут и другие. Температура жидкого металла в насосах при этом составляет 200 – 600 °С, а в некоторых случаях до 800 °С. Один из выполненных насосов для натрия имеет следующие расчетные данные: температура 800 °С, напор 3,9 кгс/см², расход 3670 м³/ч, полезная гидравлическая мощность 390 кВт, потребляемый ток 250 кА, напряжение 2,5 В, потребляемая мощность 625 кВт, коэффициент полезного действия 62,5 %. Другие характерные данные этого насоса: сечение канала 53 × 15,2 см, скорость течения в канале 12,4 м/с, активная длина канала 76 см.
Преимущество электромагнитных насосов состоит в том, что они не имеют движущихся частей и тракт жидкого металла может быть герметизирован.
Насосы постоянного тока требуют для питания источников с большой силой тока и малым напряжением. Для питания мощных насосов выпрямительные установки малопригодны, так как они получаются громоздкими и с малым коэффициентом полезного действия. Более подходящими в этом случае являются униполярные генераторы, смотрите статью "Специальные типы генераторов и преобразователей постоянного тока".
Плазменные ракетные двигатели
Рассмотренные электромагнитные насосы являются своеобразными двигателями постоянного тока. Подобные устройства в принципе пригодны также для разгона, ускорения или перемещения плазмы, то есть высокотемпературного (2000 – 4000 °С и больше) ионизированного и поэтому электропроводящего газа. В связи с этим производится разработка реактивных плазменных двигателей для космических ракет, причем ставится задача получения скоростей истечения плазмы до 100 км/с. Такие двигатели не будут обладать большой силой тяги и поэтому будут пригодны для работы вдали от планет, где поля тяготения слабы; однако они имеют то преимущество, что массовый расход вещества (плазмы) мал. Необходимую для их питания электрическую энергию предполагается получать с помощью ядерных реакторов. Для плазменных двигателей постоянного тока трудную проблему составляет создание надежных электродов для подвода тока к плазме.
Магнитогидродинамические генераторы
МГД машины, как и всякие электрические машины, обратимы. В частности, устройство, изображенное на рисунке 1, может работать также в режиме генератора, если через него прогонять проводящую жидкость или газ. При этом целесообразно иметь независимое возбуждение. Генерируемый ток снимается с электродов.
На таком принципе строятся электромагнитные расходомеры воды, растворов щелочей и кислот, жидких металлов и тому подобного. Электродвижущая сила на электродах при этом пропорциональна скорости движения или расходу жидкости.
МГД генераторы представляют интерес с точки зрения создания мощных электрических генераторов для непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую. Для этого через устройство вида, изображенного на рисунке 1, необходимо пропускать со скоростью порядка 1000 м/с проводящую плазму. Такую плазму можно получить при сжигании обычного топлива, а также путем нагревания газа в ядерных реакторах. Для увеличения проводимости плазмы в нее можно вводить небольшие присадки легко ионизируемых щелочных металлов.
Электропроводность плазмы при температурах порядка 2000 – 4000 °С относительно мала (удельное сопротивление около 1 Ом × см = 0,01 Ом × м = 104 Ом × мм² / м, то есть примерно в 500 000 раз больше, чем у меди). Тем не менее в мощных генераторах (порядка 1 млн. кВт) возможно получение приемлемых технико-экономических показателей. Разрабатываются также МГД генераторы с жидкометаллическим рабочим телом.
При создании плазменных МГД генераторов постоянного тока возникают трудности с выбором материалов для электродов и с изготовлением надежных в работе стенок каналов. В промышленных установках также сложную задачу представляет собой преобразование постоянного тока относительно низкого напряжения (несколько тысяч вольт) и большой силы (сотни тысяч ампер) в переменный ток.
53. Униполярные машины. Первыйлярный генератор изобрел Майкл Фарадей. Суть эффекта, открытого Фарадеем, заключается в том, что при вращении диска в поперечном магнитном поле, на электроны в диске действует сила Лоренца, которая смещает их к центру или к периферии, в зависимости от направления поля и вращения. Благодаря этому, возникает электродвижущая сила, и через токосъемные щетки, касающиеся оси и периферии диска, можно снимать значительный ток и мощность, хотя напряжение небольшое (обычно, доли Вольта). Позднее, было обнаружено, что относительное вращение диска и магнита не является необходимым условием. Два магнита и токопроводящий диск между ними, вращающиеся вместе, также показывают наличие эффекта униполярной индукции. Магнит, сделанный из электропроводящего материала, при вращении, также может работать, в качестве униполярного генератора: он сам является и диском с которого щетками снимаются электроны, и он же является источником магнитного поля. В связи с этим, принципы униполярной индукции развиваются в рамках концепции движения свободных заряженных частиц относительно магнитного поля, а не относительно магнитов. Магнитное поле, в таком случае, считается неподвижным.
Споры о таких машинах шли долго. Понять, что поле есть свойство «пустого» пространства, физики, отрицающие существование эфира, не могли. Это правильно, поскольку «пространство не пустое», в нем есть эфир, и именно он обеспечивает среду существования магнитного поля, относительно которого вращаются и магниты, и диск. Магнитное поле можно понимать, как замкнутый поток эфира. Поэтому, относительное вращение диска и магнита не является обязательным условием.
В работах Тесла, как мы уже отмечали, были сделаны усовершенствования схемы (увеличен размер магнитов, а диск сегментирован), что позволяет создавать самовращающиеся униполярные машины Тесла.
