Основные электромагнитные соотношения

Каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью.

Для перехода машины постоянного тока из режима генератора режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменить направление тока в обмотке якоря.

1. Для лучшего понимания и усвоения принципов работы электрической машины в режиме генератора и режиме двигателя воспользуемся условно-логическими схемами.

Рис. 1РВ Условно-логическая схема работы генератора постоянного тока с независимым возбуждением.

Такая схема для генератора с независимым возбуждением представлена на рис. 1РВ. Эта схема расшифровывается так:

От источника механической энергии (ИМ) при наличии передачи (П) на якорь генератора действует вращающий момент M. Так как якорь находится в незаторможенном состоянии (НЗ), он вращается со скоростью n_Я.

Обмотка возбуждения генератора питается напряжением U_В, и так как она замкнута (ЦЗ), то в ней протекает ток I_В. Эта обмотка имеет w_В витков, в результате появляется м. д. с. I_Вw_В, которая возбуждает магнитный поток Ф. Обмотка якоря вращается в этом магнитном поле и вследствие этого по закону электромагнитной индукции (ЭМИ) в ней появляется э. д. с. E_Я. Таким образом, произошло преобразование механической энергии в электрическую.

Кроме того, происходят косвенные события: так как обмотка якоря замкнута (ЦЗ), в ней течет ток I_Я. Это приводит к возникновению м. д. с. I_Яw_Я, которая воздействует на основной магнитный поток машины Ф. Величина тока якоря зависит от нагрузки r_н, и, следовательно, воздействие I_Яw_Я на Ф также зависит от нагрузки.

2. Преобразование электрической энергии в механическую, т. е. Принцип работы электродвигателя, показано на условно-логической схеме рис. 2РВ. Как видно, эта схема также двухстрочная. Она описывает двигатель с независимым возбуждением.

Рис. 2РВ Условно-логическая схема работы двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.

От источника электроэнергии через провода к обмотке якоря подается напряжение U_Я, а, так как обмотка якоря замкнута (ЦЗ), в ней течет ток I_Я. С другой стороны, обмотка возбуждения питается напряжением U_В и аналогично предыдущему создаётся магнитный поток Ф_В. В потоке Ф имеются провода якоря, по которым протекает ток I_Я. Взаимодействие их по закону Ампера создает на валу крутящий момент М.

Косвенные события, имеющие принципиальное значение, сводятся к вращению якоря со скоростью n_Я и аналогично предыдущему в якоре наводится E_Я, которое уменьшает значение U_Я, т. е. величина тока I_Я определяется не величиной U_Я, а разностью U_Я-E_Я.

3. На рис. 3РВ показана условно-логическая схема для генератора со смешанным возбуждением.

Рис. 3РВ Условно-логическая схема работы генератора постоянного тока со смешанным возбуждением.

Из этой схемы ясно, что э. д. с. якоря E_Я получается в результате вращения обмотки якоря в остаточном магнитном поле, т. е. в соответствии с законом электромагнитной индукции (ЭМИ). По мере увеличения токов в обмотках возбуждения соответственно увеличивается магнитный поток Ф от Ф₀ (остаточный поток) до Ф_N (номинальное значение потока, при котором наводится номинальное значение E_Я). Если генератор последовательного возбуждения, то схема действует по каналу 1, если генератор параллельного возбуждения, то схема соответствует каналу 2, а для смешанного возбуждения действуют оба канала.

4. Особое внимание следует обратить на механические свойст­ва двигателей постоянного тока. Только понимая эти свойства, мож­но решить вопрос о пригодности того или иного двигателя постоян­ного тока для привода определенного механизма. Лишь на основе этих свойств станет понятно, почему для привода металлорежущего станка применяется двигатель с параллельным возбуждением, а для привода подъемного механизма — двигатель с последовательным возбуждением.

5. В противоположность асинхронному двигателю двигатель постоянного тока всегда пускается в ход посредством пускового реостата, ограничивающего величину пускового тока. С другой стороны двигатель постоянного тока допускает плавное регулирование скорости, а асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором практически допускает лишь ступенчатое регулирование скорости вращения. Эти различия должны учитываться при выборе привод­ного двигателя для рабочего механизма.

6. Для лучшего понимания двигателей постоянного тока с раз­личными системами самовозбуждения в части их применения целесообразно рассмотреть характеристики M=f₁(I_Я) и n=f₂(I_Я) для параллельного и последовательного возбуждения. В двигателях с параллельным возбуждением зависимость М= С_мФI_Я можно представить как M=k₁I_Я (рис. 4РВ а), так как резуль­тирующий магнитный поток Ф в пределах номинальной нагрузки остается постоянным (при условии пренебрежения или компенсации реакции якоря).

Рис. 4РВ Характеристики двигателей постоянного тока: а), в) – с параллельным возбуждением; б), г) – с последовательным возбуждением.

На рис. 4РВ а, б видно, что для механизмов, рабо­тающих с ударной нагрузкой (пресс, стартер и др.), пригоден дви­гатель с последовательным возбуждением и непригоден двигатель с параллельным возбуждением, так как в последнем с увеличением нагрузки ток пропорционально увеличивается. В двигателе с после­довательным возбуждением ток увеличивается лишь на величину ΔI.

Характеристика n=f₂(I_Я) для двигателя с параллельным воз­буждением определяется прямой линией n=n₀-bI_Я (рис. 4РВ в), а для двигателя с последовательным воз­буждением определяется гиперболой (рис. 4РВ г). Здесь a, b, d – постоянные величины. Из них видно, что для механизмов, требующих жесткую механическую характеристику (металлорежущие станки и др.), пригоден двигатель с параллельным возбуждением, а для механизмов, требую­щих мягкую характеристику (электропоезда, штамповочные устрой­ства и др.). пригоден двигатель с последовательным возбуждением.

7. Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением обладает жесткой механической характеристикой, уравнение кото­рой n=n₀-BM, где В — постоянная величина. Это уравнение соот­ветствует допущению, что магнитный поток остается неизменным при разных нагрузках. Однако при увеличении нагрузки, вследствие реакции якоря, магнитный поток уменьшается. Поэтому механическая характеристика этого двигателя может считаться прямолинейной, если реакцией якоря можно пренебречь по малости ее или если реакция якоря компенсируется.

8. Двигатель с последовательным возбуждением обладает мяг­кой механической характеристикой. Если сделать допущение, что магнитный поток пропорционален току, то уравнение механической характеристики , где A, D — постоянные величины, не зависящие от нагрузки.

Рис. 5РВ Механические характеристики ДПТ с параллельным возбуждением: 1 – естественная характеристика; 2 – характеристика при включении реостата в цепь обмотки возбуждения; 3 – характеристика при уменьшении напряжения; 4 – характеристика при включении реостата в цепь якоря.

9. Поскольку двигатель постоянного тока допускает плавное регулирование частоты вращения, то возникает вопрос о диапазо­не регулирования. Широкий диапазон позволил бы использовать двигатель без применения редуктора, что не только упростило бы передачу, но и улучшило бы работу приводимого механизма. Одна­ко возможность расширить диапазон регулирования ограничена, по­тому что увеличение частоты вращения приводит к ухудшению ус­ловий коммутации, а уменьшение частоты вызывает увеличение раз­меров двигателя, что ведет к его удорожанию. Поэтому обычно n_max/n_min=2 – 3.

10. Вид механических характеристик двигателя постоянного то­ка с параллельным возбуждением при различных способах регулирования скорости дан на рис. 5РВ.

ЭДС якоря.

Обозначим буквой N число активных проводников обмотки и рассмотрим ЭДС якоря E_Я в предположении, что щетки установлены на геометрической нейтрали. Тогда ЭДС всех N/2a проводников параллельной ветви складываются арифметически и для вычисления E_Я можно просуммировать ЭДС N/2p проводников, расположенных под одним полюсом (рис. 6РВ а), и умножить результат на 2p/2a.

Рис. 6РВ Определение ЭДС якоря и электромагнитного момента: а) – характер распределения индукции в зазоре полюсного деления; б) – цепь простейшей якорной обмотки.

Таким образом:

, (1РВ)

где: B_δk – значение индукции под k -м проводником на протяжении полюсного деления(рис. 6РВ а).

a – количество параллельно работающих элементарных машин, каждая из которых имеет две параллельных ветви(рис. 6РВ б).

При достаточно большом N/2p можно положить:

,

где B_ср – среднее значение индукции на протяжении полюсного деления, равное:

.

Кроме того, окружная скорость якоря:

.

После подстановки этих величин в выражение (1РВ) получим:

(2РВ)

или

, (3РВ)

где

(4РВ)

C_e - постоянная для каждой машины величина.

Если вместо величины n ввести в формулу (2РВ) угловую скорость вращения:

, (5РВ)

то получим:

, (6РВ)

где

(7РВ)

Как следует из выражений (3РВ) и (6РВ) ЭДС E_Я пропорциональна основному магнитному потоку и скорости вращения и не зависит от формы кривой распределения индукции в воздушном зазоре.

Дата добавления: 2014-01-04