Принцип действия машины постоянного тока

Конструкция и принцип машин постоянного тока. Механические характеристики двигателя.

Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части (индуктора) и вращающейся части (якоря с барабанной обмоткой).
На рис. 1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока

Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток.
Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине.
Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5.
Рис. 1
Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Рассмотрим работу машины постоянного тока в режиме генератора на модели рис.2,

где 1 - полюсы индуктора, 2 - якорь, 3 - проводники, 4 - контактные щетки.
Проводники якорной обмотки расположены на поверхности якоря. Внешние поверхности проводников очищены от изоляции, а на эти поверхности проводников наложены неподвижные контактные щетки.
Контактные щетки размещены на линии геометрической нейтрали, проведенной посредине между полюсами.
Приведем якорь машины во вращение в направлении, указанном стрелкой.
Рис. 2
Определим направление ЭДС, индуктированных в проводниках якорной обмотки по правилу правой руки.

На рис.2 крестиком обозначены ЭДС, направленные от нас, точками - ЭДС, направленные к нам. Соединим проводники между собой так, чтобы ЭДС в них складывались. Для этого соединяют последовательно конец проводника, расположенного в зоне одного полюса с концом проводника, расположенного в зоне полюса противоположной полярности (рис. 3)

Два проводника, соединенные последовательно, образуют один виток или одну катушку. ЭДС проводников, расположенных в зоне одного полюса, различны по величине. Наибольшая ЭДС индуктируется в проводнике, расположенном под срединой полюса, ЭДС, равная нулю, - в проводнике, расположенном на линии геометрической нейтрали.
Рис. 3
Если соединить все проводники обмотки по определенному правилу последовательно, то результирующая ЭДС якорной обмотки равна нулю, ток в обмотке отсутствует. Контактные щетки делят якорную обмотку на две параллельные ветви. В верхней параллельной ветви индуктируется ЭДС одного направления, в нижней параллельной ветви - противоположного направления. ЭДС, снимаемая контактными щетками, равна сумме электродвижущих сил проводников, расположенных между щетками.
На рис. 4 представлена схема замещения якорной обмотки.

В параллельных ветвях действуют одинаковые ЭДС, направленные встречно друг другу. При подключении к якорной обмотке сопротивления в параллельных ветвях возникают одинаковые токи , через сопротивление R_H протекает ток I_Я.
Рис. 4
ЭДС якорной обмотки пропорциональна частоте вращения якоря n₂ и магнитному потоку индуктора Ф

(1)

где С_е - константа.
В реальных электрических машинах постоянного тока используется специальное контактное устройство - коллектор. Коллектор устанавливается на одном валу с сердечником якоря и состоит из отдельных изолированных друг от друга и от вала якоря медных пластин. Каждая из пластин соединена с одним или несколькими проводниками якорной обмотки. На коллектор накладываются неподвижные контактные щетки. С помощью контактных щеток вращающаяся якорная обмотка соединяется с сетью постоянного тока или с нагрузкой.

Механическая характеристика двигателя при неизменных параметрах U, R и Ф представляется прямой линией 1 (рис. 4.2). На холостом ходу (М = 0) двигатель вращается с частотой вращения w0. По мере увеличения момента нагрузки частота вращения снижается, номинальному моменту нагрузки МН соответствует номинальная частота вращения w0. Изменение величины питающего напряжения вызывает пропорциональное уменьшение частот вращения во всех режимах работы. При этом жесткость механической характеристики b сохраняется, так как его величина, согласно (4.5б), определяется сопротивлением якорной цепи, конструктивным коэффициентом и магнитным потоком машины. Согласно (4.5), путем изменения величины питающего напряжения U от нуля до номинального значения (например, при помощи управляемого тиристорного выпрямителя), можно изменять частоту вращения вала в широких пределах, что подтверждается рис. 4.2 (характеристиками 2). При этом диапазон плавного и экономичного регулирования частоты вращения – глубина регулирования – находится по формуле , (4.6)

где w _max, w _min – максимально и минимально возможные частоты вращения при данном способе регулирования.

Практически значение глубины регулирования достигает 10…100 тыс. Столь большой диапазон регулирования позволяет исключить или значительно упростить механическую трансмиссию.

Вторым способом регулирования частоты вращения двигателя является изменение сопротивления якорных цепей – путём включения последовательно в цепь якоря регулировочного резистора R_Р1 (рис. 4.1). В этом случае, согласно (4.5), при увеличении сопротивления жесткость характеристики машины уменьшается (рис. 4.2, линии 3). Как видно из рис. 4.2, частота вращения машины при идеальном холостом ходе: М = 0 не изменяется, а с ростом момента нагрузки частота вращения снижается значительно (β уменьшается). Данный способ регулирования позволяет изменять частоту вращения в значительном диапазоне, однако вследствие значительных потерь мощности в регулировочном резисторе резко снижается кпд привода:

. (4.7)

Регулирование частоты вращения машины постоянного тока магнитным потоком машины Ф – за счёт изменения тока возбуждения резистором R_{Р 2} (см. рис. 4.1) – является экономичным способом, так как потери в резисторе R_{Р 2} не велики вследствие малого тока возбуждения. Однако этот способ позволяет лишь увеличивать частоту вращения по сравнению с номинальной (глубина регулирования не превышает D = 2…3). Такой способ регулирования предусмотрен для большинства машин^[3].

Ранее была рассмотрена работа двигателя не­зависимого возбуждения в двигательном режиме, чему со­ответствовали механические характеристики, представлен­ные на рис. 4.2 и расположенные в первом квадранте коор­динатных осей. Однако этим не исчерпываются возможные режимы работы электродви­гателя и его механические характеристики. Весьма часто в современ­ных электроприводах необхо­димо быстро и точно остано­вить механизм или изменить направление его движения. Быстрота и точность, с ка­кой будут проделаны эти опе­рации, во многих случаях определяют производитель­ность механизма. Во время торможения или перемены направле­ния движения (реверса) электродвигатель работает в тор­мозном режиме на одной из механических характеристик, соответствующих осуществляемому способу торможения. Графическое изображение механических характеристик машины независимого возбуждения для разных режимов работы представлено на рис. 4.3.^[4]

Рис. 4.3. Механические характери­стики двигателя постоянного тока независимого возбуждения при раз­личных режимах работы: 1 – механическая характеристика при номинальном напряжении на якоре; 2 – механическая характеристика при напряжении на якоре, равном нулю

Здесь, кроме участка характеристик, соответствующих двигательному режиму (квадрант I), показаны участки характеристик в квад­рантахII и IV, характеризующие три возможных способа генераторного электрического торможения, а именно:

1) торможение с отдачей энергии в сеть (рекуперативное);

2) динамическое торможение;

3) торможение противовключением.

Рассмотрим подробнее особенности механических ха­рактеристик при указанных способах торможения.

1. Торможение с отдачей энергии в сеть, или рекуперативное торможение (генераторный режим работы параллельно с сетью) осуществляется в том случае, когда скорость двигателя оказывается выше скорости идеального холостого хода и его эдс Е больше приложенного напряжения U. Двигатель здесь работает в режиме генератора параллельно с сетью, которой он отдает электрическую энергию; ток при этом изменяет свое направление, следовательно, изменяет знак и момент двигателя, т. е. он становится тормозным: М = – I_a Ф. Если обозначить тор­мозной момент через М_Т = – М, то уравнение (4.5) при ω > ω₀ примет следующий вид:

. (4.8)

Как видно из выражения (4.8), жесткость (наклон) механической характеристики в рассматриваемом генераторном режиме будет такой же, как и в двигательном. Поэтому графически механические характеристики двигателя в режиме торможения с отдачей энергии в сеть являются продолжением характеристик двигательного режима в область квадранта II (рис. 4.3). Этот способ торможения возможен, например, в приводах транспортных и подъемных механизмов при спуске груза и при некоторых способах регулирования скорости, когда двигатель, переходя к низшим скоростям, проходит значения ω > ω ₀. Такое торможение является весьма экономичным, поскольку оно сопро­вождается отдачей в сеть электрической энергии.

2. Динамическое торможение происходит при отключении якоря двигателя от сети и замыкании его на резистор (рис. 4.4), поэтому иногда его называют реостатным торможением. Обмотка возбуждения при этом должна оставаться присоединенной к сети.

Рис. 4.4. Схема включения двигателя постоянного тока независимого
возбуждения при динамическом торможении.

При динамическом торможении, так же, как и в предыдущем случае, механическая энергия, поступающая с вала, преобразуется в электрическую. Однако эта энергия не отдается в сеть, а выделяется в виде теплоты в сопротивлениях цепи якоря.

Так как при динамическом торможении якорные цепи машины отключены от сети, то в выражении (4.5) следует приравнять нулю напряжение U, тогда уравнение примет вид:

. (4.9)

При динамическом торможении механическая характеристика двигателя, как это видно из (4.9), представляет собой прямую, проходящую через начало координат. Семейство характеристик динамического торможения при различных сопротивлениях R якорной цепи показано ранее (см. рис. 4.3 квадрант II). Как видно из этого рисунка, жесткость характеристик уменьшается с увеличением сопротивления якорной цепи.

Динамическое торможение широко используется для останова привода при отключениях его от сети (особенно при реактивном характере момента), например при спуске грузов в подъемных механизмах. Оно достаточно экономично, хотя и уступает в этом отношении торможению с отдачей энергии в сеть.

3. Торможение противовключением (генераторный режим работы последовательно с сетью) осуществляется в том случае, когда обмотки двигателя включены для одного направления вращения, а якорь двигателя под воздействием внешнего момента или сил инерции вращается в противо­положную сторону. Это может происходить, например, в приводе подъемника, когда двигатель включен на подъем, а момент, развиваемый грузом, заставляет привод вращаться в сторону спуска груза. Такой же режим получается и при переключении обмотки якоря (или обмотки возбуждения) двигателя для быстрой остановки или для изменения направления вращения на противоположное.

Графическое изображение механической характеристики для торможения противовключением, когда имеет место, например, так называемый тормозной спуск груза, приведено на рис. 4.3, из которого следует, что механическая характеристика при торможении противовключением является продолжением характеристики двигательного режима в квадрант IV.^[5]

Дата добавления: 2015-05-06