Машины постоянного тока

Машины постоянного тока

Такие машины как двигатели хороши тем, что у них можно регулировать частоту вращения ротора в широком диапазоне частот. Из-за этого они широко используются в ручных машинах. Развивают крутящий момент, начиная с первого оборота, в отличие от других двигателей, которые работают, например, начиная с оборотов холостого хода (у двигателей внутреннего сгорания), составляющих значения несколько сотен оборотов в минуту. Недостатками можно считать износ и искрение щеток. С помощью машины постоянного тока, работающей как генератор можно получать постоянное напряжение.

Рис. 17-1. Простейший электродвигатель постоянного тока Рис. 17-2. Работа простейшего электродвигателя постоянного тока в режиме генератора (а) и двигателя (б).

Конструктивно все электрические двигатели постоянного тока состоят из индуктора (в статоре) и якоря (ротора), разделенных воздушным зазором.

Индуктор электродвигателя постоянного тока служит для создания неподвижного магнитного поля машины и содержит главные полюса 1. На главных полюсах расположены обмотки возбуждения, предназначенные для создания магнитного поля машины (на добавочных полюсах - специальная обмотка, служащая для улучшения условий коммутации). Якорь 2 электродвигателя постоянного тока состоит из магнитной системы, собранной из отдельных листов, рабочей обмотки, уложенной в пазы, и коллектора 3 служащего для подвода к рабочей обмотке постоянного тока. Коллектор связывает обмотку якоря с внешней цепью нагрузки при работе машины генератором или с сетью питания при работе двигателем. Коллектор представляет собой цилиндр, насаженный на вал двигателя и собранный из изолированных друг от друга медных дугообразных пластин. На коллекторе имеются выступы-петушки, к которым припаяны концы секций обмотки якоря. Съем тока с коллектора осуществляется с помощью щеток 4, обеспечивающих скользящий контакт с коллектором. Щетки закреплены в щеткодержателях, которые удерживают их в определенном положении и обеспечивают необходимое нажатие щетки на поверхность коллектора. Щетки и щеткодержатели закреплены на траверсе, связанной с корпусом электродвигателя.

По устройству двигатель постоянного тока упрощенно можно представить в виде рамки (обмотки), к которой через коллектор (разрезное кольцо) и щетки подводится постоянный  электрический ток. Рамка находится в магнитном поле между двумя полюсами постоянного магнита. Обмотка возбуждения располагается на полюсах статора и присоединяется к независимому источнику постоянного тока или к якорю. Магнитный поток возбуждения Фв этой обмотки неподвижен в пространстве.

 Ток, протекая по рамке, вызовет в ней электрическое поле, рамка притянется постоянным магнитом и повернется на 180 градусов. При этом сменится полярность на коллекторе. Рамка окажется в аналогичном первоначальному положении. Так будет происходить непрерывное  вращение рамки.

Коллекторы обычно делаются из многих составных частей и соответствующего им числа рамок (обмоток) для плавности вращения.

Способы возбуждения электродвигателей постоянного тока

Рекомендуемые материалы

Под возбуждением электрических машин понимают создание в них магнитного поля, необходимого для работы электродвигателя. Схемы возбуждения электродвигателей постоянного тока показаны на рисунке.

                                                                           б)                            в)                                                г)

Схемы возбуждения электродвигателей постоянного тока: а) - независимое, б) -  последовательное, в) – параллельное, г) – смешанное.

По способу возбуждения электрические двигатели постоянного тока делят на четыре группы:

1. С независимым возбуждением, у которых обмотка возбуждения НОВ питается от постороннего источника постоянного тока.

2. С последовательным возбуждением (сериесные), у которых обмотка возбуждения включена последовательно с якорной обмоткой.

3. С параллельным возбуждением (шунтовые), у которых обмотка возбуждения включается параллельно источнику питания обмотки якоря.

4. Двигатели со смешаным возбуждением (компаундные), у которых имеется последовательная и параллельная обмотки возбуждения.

Пуск двигателей постоянного тока

Сопротивление цепи якоря невелико, поэтому пусковой ток превышает в 10 - 20 раз и более номинальный. Это может вызвать значительные электродинамические усилия в обмотке якоря и чрезмерный ее перегрев, поэтому пуск двигателя производят с помощью пусковых реостатов - активных сопротивлений, включаемых в цепь якоря.

Двигатели мощностью до 1 кВт допускают прямой пуск.

Величина сопротивления пускового реостата выбирается по допустимому пусковому току двигателя. Реостат выполняют ступенчатым для улучшения плавности пуска электродвигателя.

В начале пуска вводится все сопротивление реостата. По мере увеличения скорости якоря возникает противо-э.д.с, которая ограничивает пусковые токи. Постепенно выводя ступень за ступенью сопротивление реостата из цепи якоря, увеличивают подводимое к якорю напряжение.

Регулирование частоты вращения электродвигателя постоянного тока

Частота вращения двигателя постоянного тока:

где U — напряжение питающей сети; Iя — ток якоря; Rя — сопротивление цепи якоря; kc — коэффициент, характеризующий магнитную систему; Ф — магнитный поток возбуждения электродвигателя.

Из формулы видно, что частоту вращения электродвигателя постоянного тока можно регулировать тремя путями: изменением потока возбуждения электродвигателя, изменением подводимого к электродвигателю напряжения и изменением сопротивления в цепи якоря.

Наиболее широкое применение получили первые два способа регулирования, третий способ применяют редко: он неэкономичен, скорость двигателя при этом значительно зависит от колебаний нагрузки.

Механические характеристики электродвигателей
постоянного тока

Характерной особенностью электродвигателя с независимым возбуждением, является то, что его ток возбуждения I_в не зависит от тока I_я в обмотке якоря (тока нагрузки). Поэтому, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно приближенно считать, что и поток возбуждения двигателя Ф не зависит от нагрузки. При этом условии получим, что зависимости электромагнитного момента М и частоты вращения n от тока I_я будут линейными. Следовательно, линейной будет и механическая характеристика двигателя — зависимость n (М) (рис.).

У двигателя с  параллельным возбуждением в цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат R_рв, а в цепь обмотки якоря — пусковой реостат R_п. В рассматриваемом электродвигателе имеет место, по существу, раздельное питание цепей обмоток якоря и возбуждения, вследствие чего ток возбуждения I_в не зависит от тока обмотки якоря I_в. Поэтому электродвигатель с параллельным возбуждением будет иметь такие же характеристики, как и двигатель с независимым возбуждением. Однако двигатель с параллельным возбуждением работает нормально только при питании от источника постоянного тока с неизменным напряжением. Двигатели с параллельным возбуждением применяются для привода станков и различных механизмов, требующих широкой, но жесткой регулировки скорости.

У двигателя последовательного возбуждения якорная обмотка и обмотка возбуждения включены последовательно. Ток возбуждения двигателя одновременно является током якоря. Магнитный поток индуктора пропорционален току якоря.

где k - коэффициент пропорциональности.
Момент на валу двигателя пропорционален квадрату тока якоря.

откуда

.

Уравнение механической характеристики двигателя последовательного возбуждения выглядит следующим образом:

.

Механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения является мягкой и имеет гиперболический характер (рис. ниже ). При малых нагрузках магнитный поток Ф сильно уменьшается, частота вращения n резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет вразнос). Работа двигателя последовательного возбуждения без нагрузки недопустима.  Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода и при небольшой нагрузке (различные станки, транспортеры и пр.).

Несмотря на указанный недостаток, двигатели с последовательным возбуждением широко применяют, особенно там, где имеют место изменения нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска: во всех тяговых приводах (электровозы, тепловозы, электропоезда, электрокары, электропогрузчики и пр.), а также в приводах грузоподъемных механизмов (краны, лифты и пр.). Объясняется это тем, что при мягкой характеристике увеличение нагрузочного момента приводит к меньшему возрастанию тока и потребляемой мощности, чем у двигателей с независимым и параллельным возбуждением; поэтому двигатели с последовательным возбуждением лучше переносят перегрузки. Кроме того, эти двигатели имеют большой пусковой момент, чем двигатели с параллельным и независимым возбуждением, так как при увеличении тока обмотки якоря при пуске соответственно увеличивается и магнитный поток.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 30 Статистика материально-технического снабжения.

Электродвигатель со смешанным возбуждением. В этом электродвигателе (рис.) магнитный поток Ф создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения — параллельной (или независимой) и последовательной, по которым проходят токи возбуждения I_в1 и I_в2 = I_я. Поэтому

Ф = Ф_посл + Ф_пар,

где Ф_посл — магнитный поток последовательной обмотки, зависящий от тока I_я; Ф_пар — магнитный поток параллельной обмотки, который не зависит от нагрузки (определяется током возбуждения I_в1).

Механическая характеристика электродвигателя со смешанным возбуждением (рис.) располагается между характеристиками двигателей с параллельным (прямая 1) и последовательным (кривая 2) возбуждением. В зависимости от соотношения магнитодвижущих сил параллельной и последовательной обмоток при номинальном режиме можно приблизить характеристики двигателя со смешанным возбуждением к характеристике 1 (кривая 3 при малой м. д. с. последовательной обмотки) или к характеристике 2

  Двигатель смешанного возбуждения имеет механическую характеристику, представляющую собой нечто среднее между механическими характеристиками двигателя параллельного и последовательного возбуждения.

(кривая 4 при малой м. д. с. параллельной обмотки). Достоинством двигателя со смешанным возбуждением является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой, может работать при холостом ходе, когда Ф_посл = 0. В этом режиме частота вращения его якоря определяется магнитным потоком Ф_пар и имеет ограниченное значение (двигатель не идет вразнос).