11_Actu_el_const (Конспект лекций по предмету, преподаватель Ляхова Н.Б.)

7

Электрические машины.

В зависимости от внешнего воздействия электрические машины подразделяются на

- генераторы (преобразующие энергию вращения вала-ротора в электрическую энергию),

- двигатели (преобразующие электромагнитную энергию в механическую энергию вращения вала).

В магнитном поле (постоянном или созданном электромагнитом) на петлю проводника (обмотку), по которой течет ток, будет действовать вращающий момент - это двигатель. Если же вращать петлю в магнитном поле, то в петле будет протекать ток в соответствии с правилом “правой руки” - это генератор. При повороте проводника на каждую пару полюсов в рамке наводится ЭДС: Е = U + I R_я.

N S

+ - Коллекторы

Рис. Схема электрической машины постоянного тока.

N S

~

Рис. Схема электрической машины переменного тока.

С коллектора, контактирующего с выводами обмотки, потенциал снимается с помощью щеток. Если выводы обмотки не меняют коллекторы или щетки, то создается режим переменного тока, если меняют, то - постоянного. Подвижная часть машины - ротор или якорь, неподвижная - статор.

Машины с постоянными магнитами называют магнитоэлектрическими, с электромагнитами - электромагнитными. При вращении якоря возникает существенное магнитное поле (т. н. “реакция якоря”), противодействующее основному за счет протекания тока в обмотках якоря и вихревых токах магнитного сердечника. Для уменьшения вторичного поля (“реакции якоря”) в зоне основных полюсов предусматривают дополнительные (компенсационные) обмотки в, ток в которых создает магнитное поле противоположного направления.

Магнитоэлектрические машины маломощны по причине больших вихревые токи, поле которых сложнее компенсировать. Это ограничивает мощность машин.

Электромашины постоянного тока.

Генераторы могут быть запитаны как от независимого источника (а), так и от ЭДС, наводимой в якоре машины (б, в, г) - самовозбуждения. В последнем случае генератор должен обладать остаточным магнитным потоком, пусть небольшим.

При повороте обмотки якоря возникнет первоначально небольшая ЭДС, которая будет возрастать до равновесия с реакцией якоря. Уровень равновесия определяется нагрузкой цепи. Этим заканчивается переходный процесс.

U_у i

ОВ + ОВ

а) Я u б) Я u

-

ОВ₁

в) Я ОВ u г) Я ОВ₂ u

Рис. Схемы возбуждения электромашин постоянного тока: а) - независимого, б) - параллельного, в) - последовательного, г) - смешанного.

(а) - Независимое возбуждение применяется для простого регулирования тока в широких пределах. Токи якоря I_я и нагрузки I_н равны: I_я = I_н. Наблюдается падение напряжения при увеличении I_н ._.

(б) - Параллельное самовозбуждение обусловливает суммирование токов: I_я = I_н + I_в ._. Падение напряжения при увеличении I_н больше ._.

(в) - Последовательное самовозбуждение обусловливает равенство токов: I_я = I_н = I_в._. Используется редко.

(г) - С увеличением тока якоря (нагрузки) выходное напряжение уменьшается из-за увеличения подмагничивания обмоткой ОВ₂ . Магнитный поток, создаваемый обмоткой ОВ₂, уменьшает “реакцию якоря” и ток обмотки ОВ₁. Характеристика наиболее линейна, что используется для стабилизации напряжения. С помощью противовключения обмотки ОВ₂ можно добиться режима стабилизации тока (г¹).

U

U_н

(г)

(в) (а)

(г¹) (б)

I_ян I_я

Рис. Внешние характеристики генератора в зависимости от способа возбуждения.

Электромашинные усилители (ЭМУ) в простейшем виде являются гнераторами с независимым возбуждением. Коэффициент усиления по мощности : k = P₂ / P₁ (50..100). ЭМУ может использоваться в системах генератор- двигатель в качестве усилителя для управления двигателя постоянного тока (ДПТ). Плоская характеристика ЭМУ смешанного возбуждения ( кривая “г”) позволяет поддерживать неизменной величину выходного напряжения, т. е. скорость вращения, и т. о. реализовать автоматический регулятор .

+

U_у ОВ Я Е_я U_н ( Р₂ ) R_нагр

(Р₁ ) -

Рис. Схема генератора как электромашинного усилителя.

Тахогенератор - генератор небольшой мощности с независимым возбуждением, работает как в статическом, так и в переходном режимах. Входные параметры:  - угол поворота ротора,  - скорость вращения.

U_у ЭМ

i

+

МЭ Я u

-

Рис. Схема тахогенератора постоянного тока (обозначения возбуждения : ЭМ - электромагнитное, МЭ - магнитоэлектрическое).

Выходной параметр: ЭДС ротора (якоря) - е = k (d / dt), k - статический коэффициент усиления, d / dt ( = ) - угловая скорость вращения.

ЭДС ротора тратиться на падение напряжения u на сопротивлении нагрузки R_нагр, , рассеянии энергии в обмотках якоря и формировании “реакции якоря”. (При протекании тока i в обмотках якоря с индуктивностью L возникает магнитный поток

Ф = L i, который вызывает противоЭДС Е_я = dФ / dt.) Уравнение переходного процесса :

u = e - i R_я - L_я di / dt,

где R_я и L_я - сопротивление и индуктивность обмотки ротора.

Если на выходе тахогенератора включено сопротивление R_нагр :

i = u / R_нагр , di / dt = ( 1/ R_нагр ) du / dt .

Уравнение переходного процесса тогда будет :

u = k (d / dt) - u R_я/ R_нагр - L_я( 1/ R_нагр ) ( du / dt),

u ( 1 + R_я / R_нагр) = k (d / dt) - L_я( 1/ R_нагр ) ( du / dt),

L_я / (R_я + R_нагр) du /dt + u = k R_нагр /(R_я + R_нагр) (d / dt).

При постоянной времени якорной (роторной) цепи T = L_я / (R_я + R_нагр) и коэффициенте передачи тахогенератора с нагрузкой k_т= k R_нагр /(R_я + R_нагр) уравнение переходного процесса можно представить

T du / dt + u = k_т (d / dt). T u p + u = k  p , u ( T p + 1 ) = k  p.

Передаточная функция тахогенератора:

W(p) = U(p) / (p) = k_т p / ( T p + 1 ) .

Если входным параметров является угол поворота вала , то тахогенератор представляет собой инерционное (реальное) дифференцирующее звено.

В случае требования минимальной постоянной времени (Т = 0), то передаточная функция W(p) = k p. Тахогенератор будет идеальным (безинерционным) дифференцирующим звеном.

U

R_нагр = oo

R_нагр < oo



Рис. Выходные характеристики тахометра.

Линейность выходной характеристики тахометра нарушается вследствие размагничивающей реакции якоря, его нагрева при быстром вращении, переходного сопротивления между коллектором и щетками и т.д. Линейность используется для измерения напряжения постоянного тока (т.е. в вольтметрах магнитоэлектрических систем).

Тахометрически расходомер используют зависимоcть расхода от скорости потока. На ось тахогенератора укрепляются турбины-крыльчатки, которые под действием потока жидкости или газа вращают ось. При этом вырабатывается пропорциональная угловой скорости вращения  ЭДС: Е = k (d / dt) = k  , Расход технологической среды зависит от линейной скорости потока V (= l / t) и площади трубопровода S : Q = S l / t = V S . V =  R ( R - внешний радиус турбины).

Q =  R S = R S E / k.

Аналоговый автоматический регулятор скорости вращения реализуется с помощью тахогенератора в цепи отрицательной обратной связи. Схема управления предназначена для обеспечения скорости вращения механизма объекта управления (ОУ), пропорциональной эталонному напряжению U, постоянному или заданному программным устройством. Для этого напряжение эталонного источника в устройстве сравнения сопоставляется с напряжением тахогенератора. Их разность подается на усилитель, к которому подключен электродвигатель. Чем больше скорость вала, тем меньше разность напряжений. На вход усилителя подается меньшее напряжение, следовательно, меньшим будет напряжение возбуждения электродвигателя. Скорость вращения вала уменьшится.

U прогр. Uпр Устр-во U Усил-ль Uу Двигатель ОУ

устр-ва сравнения мощности

Uт Тахогенератор 

Рис. Структурная схема регулятора скорости электропривода.