Лекция 14

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Курс лекций

Лекция 14

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

6.Электрические машины

6.1.Электрические машины постоянного тока (продолжение)

6.1.6.Электромагнитный момент машины постоянного тока

6.1.7.ЭДС якоря машины постоянного тока

6.1.8.Потери мощности в машине постоянного тока

6.1.9.Эксплуатационные характеристики генератора постоянного тока

6.1.10.Эксплуатационные характеристики двигателя постоянного тока

6.1.11.Разновидности машин постоянного тока, их примене-

ние

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 14

6.1.6. Электромагнитный момент машины постоянного тока

Как показано ранее, при наличии в обмотке якоря тока IЯ на ее проводники действует электромагнитная сила, которая создает электромагнитный вращающий момент. Согласно силовому действию магнитного поля сила, действующая на один проводник ОЯ, определяется индукцией магнитного поля B, током в проводнике IЯ и активной длиной проводника l:

Fэм = I яBl , [Н].						(6.1.10)
Электромагнитный момент, создаваемый всей обмоткой
M	эм	= F	N	D	,	(6.1.11)
		эм	2

где D – диаметр якоря;

N – число проводников обмотки якоря.

Индукция магнитного поля выражается через магнитный поток Фв в виде:

B =	Фв	, [Тл],	(6.1.12)
	S

где S – сечение поверхности полюса.

С учетом этих соотношений (6.1.10, 6.1.11, 6.1.12) электромагнитный момент равен:

	lD
	M эм =		N I яФв.	(6.1.13)
		2S

Все параметры, стоящие в скобках, постоянны для одной и той же машины и определяются ее конструкцией. Их можно заменить одной постоянной СМ. Тогда выражение электромагнитного момента принимает вид:

M эм =CМ I яФв, [Нм]. (6.1.14)

Таким образом, электромагнитный момент машины постоянного тока пропорционален току в обмотке якоря IЯ и магнитному потоку возбуждения Фв.

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 14

2

6.1.7. ЭДС якоря машины постоянного тока

При вращении якоря машины постоянного тока в его обмотке индуцируется ЭДС. ЭДС якоря зависит от величины магнитного потока возбуждения и частоты вращения якоря. ЭДС в одном проводнике обмотки якоря определяется индукцией магнитного поля В и скоростью движения проводника в магнитном поле v:

e = Bvl , [В].									(6.1.15)
ЭДС, создаваемая всей обмоткой якоря, содержащей N последовательно
соединенных проводников, равна
E я = eN , [В].									(6.1.16)
Выражая индукцию магнитного поля через магнитный поток возбужде-
ния
B =	Фв		, [Тл],						(6.1.17)
	S
и окружную скорость проводника через частоту вращения якоря
v =		πD			n ,				(6.1.18)
60
получаем:
				πD			1
E я =Фвn				60		lN		.	(6.1.19)
							S

Величины, содержащиеся в скобках, постоянны для одной и той же машины и определяются ее конструкцией. Объединяя их одним постоянным коэффициентом Се, получаем выражение для ЭДС обмотки якоря:

Eя =CeФвn , [В]. (6.1.20)

Таким образом, ЭДС обмотки якоря машины постоянного тока пропорциональна магнитному потоку возбуждения и частоте вращения якоря.

Из сравнения выражений (6.1.13) и (6.1.19) можно получить соотноше-

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 14

3

ние постоянных СМ и Се , которое удобно использовать при практических расчетах и анализе характеристик МПТ:

	Ce =	2π	CM .	(6.1.21)
		60

6.1.8. Потери мощности в машине постоянного тока

Преобразование энергии в машинах постоянного тока сопровождается потерями энергии. В МПТ можно выделить четыре источника потерь.

Во-первых, обмотка возбуждения обладает определенным электрическим сопротивлением. Ток в этой обмотке создает электрические потери, пропорциональные квадрату тока и сопротивлению:

∆pв = I в2 Rв.	(6.1.22)
Во-вторых, аналогичные потери имеют место в обмотке якоря. Они зави-
сят от тока якоря, т.е. изменяются с изменением режима работы машины:
∆pя = I я2 Rя.	(6.1.23)

Электрические потери в якоре в номинальном режиме работы составляют около половины всех потерь.

В-третьих, при вращении якоря в магнитном поле возбуждения его сердечник циклически перемагничивается. При этом, как известно из теории маг-

нитных цепей, возникают магнитные потери в магнитопроводе (∆pмаг), которые складываются из потерь на гистерезис и вихревые токи в сердечнике. Для уменьшения этих потерь магнитопровод якоря выполняется шихтованным из листов электротехнической стали. Магнитные потери составляют от 1 до 3 %.

В-четвертых, при вращении якоря возникают потери от трения в подшипниках, трения щеток о коллектор, трения вращающихся частей о воздух (вентилляционые потери), которые объединяются в механические потери (∆pмех) и составляют от1 до 2%.

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства	Лекция 14
4

Полезная мощность образуется из потребляемой за вычетом потерь. Энергетический баланс машины постоянного тока иллюстрируется диаграмма-

ми на рис. 6.1.15, 6.1.16.

Рис. 6.1.15. Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока

Рис. 6.1.16. Энергетическая диаграмма генератора постоянного тока

Двигатель постоянного тока (рис. 6.1.15) потребляет из сети электрическую энергию мощностью Р1. Ее можно разделить на две составляющие: энергия, поступающая в обмотку возбуждения мощностью Рв=UIв, и энергия, поступающая в обмотку якоря Ря=UIя. Энергия, потребляемая обмоткой возбуждения, расходуется на покрытие потерь в ней. Часть энергии, поступающей в якорь, тратится на электрические потери в обмотке якоря, магнитные потери, механические потери. Оставшаяся энергия, преобразованная в механическую

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 14

5

(Р2), передается рабочему механизму, который вращается двигателем с частотой вращения n.

Полезная мощность двигателя постоянного тока определяется вращающим моментом М на его валу и частотой вращения n:

	P	= P	=	Mn	, [Вт].	(6.1.24)
				9,55
	2	мех

Генератор постоянного тока потребляет механическую энергию от приводного двигателя, который вращает якорь генератора с частотой вращения n (рис. 6.1.16). Мощность приводного двигателя определяется его вращающим моментом Мпр и частотой вращения:

P	=	M прn	, [Вт].	(6.1.25)
1		9,55

Потребляемая генератором механическая энергия за вычетом всех потерь преобразуется, как показано ранее, в электрическую энергию, которая передается в электрическую цепь приемнику электроэнергии. Составляющие потерь в генераторе постоянного тока аналогичны двигателю: механические потери

(∆pмех), магнитные потери (∆pмаг), электрические потери в обмотках возбужде-

ния (∆pв) и якоря (∆pя). Полезная мощность генератора определяется напряжением и током в приемнике:

P =UI или P = I 2 R					п	.	(6.1.26)
2			2
Коэффициент полезного действия машины определяется соотношением
полезной и потребляемой мощностей:
η=	P2	=	P2	.			(6.1.27)
			P + Σ∆p
	P
1			2

К.п.д. машины постоянного тока зависит от мощности. При номинальной мощности машины 100кВт номинальный к.п.д. 93-96%, а при номинальной мощности 100Вт – 60-65%.

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 14

6

Следует иметь в виду, что номинальной мощностью считается полезная

мощность, т.е. отдаваемая потребителю:
Pном = P2ном.	(6.1.28)

Для генератора – это электрическая мощность, а для двигателя – механическая мощность.

6.1.9. Эксплуатационные характеристики генератора постоянного тока

Режим работы генератора постоянного тока характеризуется напряжением на его зажимах U, частотой вращения n, током в обмотке якоря Iя и током возбуждения Iв. О поведении машины в разных режимах работы можно судить по ее характеристикам, которые представляют зависимость между двумя величинами при постоянных других. Основными являются: характеристика холостого хода, внешняя характеристика и регулировочная характеристика.

Характеристика холостого хода

Характеристика холостого хода (х.х.х.) – это зависимость напряжения на зажимах генератора от тока возбуждения при отсутствии нагрузки (Iп=Iя=0) и постоянной частоте вращения, равной номинальной (n=nном=const). График характеристики холостого хода показан на рис. 6.1.17.

Как следует из уравнения электрического состояния генератора постоянного тока (6.1.7), в режиме холостой ход, когда ток якоря равен нулю напряжение определяется величиной ЭДС.

Eя =U .

(6.1.29)

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 14

7

Рис. 6.1.17. Характеристика холостого хода генератора постоянного тока

Всоответствии с (6.1.20) ЭДС обмотки якоря пропорциональна магнитному потоку возбуждения. Пренебрегая особенностями ферромагнитных материалов в магнитных цепях можно было бы полагать, что магнитный поток пропорционален току возбуждения. Однако при разомкнутой цепи возбуждения, когда ток возбуждения равен нулю (Iв=0) магнитный поток не равен нулю. Это обусловлено остаточной намагниченностью магнитной цепи. Магнитное поле остаточной намагниченности обусловливает начальную остаточную ЭДС якоря Еост. Наличие остаточной ЭДС обеспечивает условия для самовозбуждения ГПТ параллельного и смешанного возбуждения. С увеличением тока возбуждения увеличивается магнитный поток и в соответствии с (6.1.20) возрастает ЭДС якоря Ея. При дальнейшем увеличении тока возбуждения сказываются нелинейные свойства и насыщение магнитопровода генератора. При этом магнитный поток и, следовательно, ЭДС якоря увеличиваются в меньшей степени.

Вцелом, кривая х.х.х. определяется нелинейными свойствами стального магнитопровода и соответствует виду кривой намагничивания стали. Точка номинального режима работы находится в месте изгиба кривой.

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 14

8

Внешняя характеристика

Напряжение на зажимах генератора зависит от режима работы. В частности, оно меняется с изменением величины нагрузки. Внешняя характеристика это зависимость напряжения на зажимах генератора от тока в приемнике (тока якоря) при неизменном токе возбуждения (магнитном потоке Фв) и частоте вращения n.

В генераторе независимого возбуждения ток приемника равен току якоря

Iп = I я.

(6.1.30)

Напряжение на зажимах генератора связано с током якоря уравнением электрического состояния (6.1.7) из которого следует, что напряжение меньше ЭДС на величину падения напряжения в обмотке якоря:

U = Eя − RяI я.

(6.1.31)

С ростом Iя это падение напряжения возрастает и напряжение на зажимах генератора уменьшается. Графически эта зависимость изображается кривой 1

на рис. 6.1.18.

Рис. 6.1.18. Внешние характеристики генераторов постоянного тока

В генераторе с параллельным возбуждением внешняя характеристика отличается от рассмотренной выше. Здесь кроме падения напряжения на сопро-

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 14

9

тивлении Rя сказывается еще один фактор. Поскольку обмотка возбуждения питается от зажимов якоря генератора, то снижение напряжения на зажимах якоря уменьшает ток возбуждения и, следовательно, магнитный поток. Это дополнительно снижает ЭДС и напряжение (кривая 2 на рис. 6.1.18). При определенном токе якоря, называемом критическим, генератор переходит в неустойчивый режим саморазмагничивания.

В номинальном режиме работы напряжение на зажимах генератора меньше ЭДС Eя на 3÷8% при независимом возбуждении и на 8÷15% при параллельном возбуждении.

Внешняя характеристика генератора смешанного возбуждения зависит от взаимного включения параллельной и последовательной обмоток возбуждения. При согласном включении обмоток внешняя характеристика жесткая (кривая 3), при встречном включении – мягкая (кривая 4).

Регулировочная характеристика генератора постоянного тока

Внешняя характеристика свидетельствует о том, что с изменением нагрузки напряжение генератора меняется. Нестабильность напряжения может неблагоприятно сказаться на приемниках электроэнергии. Поэтому напряжение на зажимах генератора необходимо поддерживать неизменным. Это осуществляется регулированием тока возбуждения. Зависимость тока возбуждения от тока якоря, при неизменном напряжении на зажимах генератора и постоянной частоте вращения – это регулировочная характеристика. Она показывает как необходимо регулировать ток возбуждения чтобы поддерживать напряжение на зажимах генератора неизменным при изменении нагрузки.

Как видно на внешней характеристике, с увеличением тока якоря напряжение уменьшается. Чтобы поднять его до прежнего уровня, надо увеличить ЭДС в обмотке якоря. Для этого необходимо увеличить магнитный поток возбуждения за счет увеличения тока возбуждения Iв. Таким образом, с увеличени-

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 14

10