Лекция 14

Рис. 1.25. Механические характеристики ДПТ при якорном регулировании

Увеличение напряжения больше номинального приводит к перегреву машины. Поэтому якорное регулирование применяется для регулирования частоты вращения ниже номинальной (n<nном).

Наиболее эффективно совместное использование якорного и полюсного регулирования, что позволяет обеспечить плавное регулирование частоты вращения в очень широком диапазоне. Это определяет одно из главных преимуществ двигателей постоянного тока.

6.1.11. Разновидности машин постоянного тока, их применение

В связи с быстрым развитием полупроводниковой техники, в частности, полупроводниковых выпрямителей, роль машин постоянного тока как источников электроэнергии несколько снизилась. Тем не менее, применения машин постоянного тока достаточно обширны. Они находят применение в качестве источников питания регулируемых электроприводов постоянного тока (приводы прокатных станов, экскаваторов, подъемно-транспортных машин), электролиз-

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 14

21

ных и гальванических установок в металлургии и химии. Во многих случаях генераторы постоянного тока используются в качестве возбудителей синхронных машин для питания их обмоток возбуждения. Широко распространены генераторы постоянного тока как источники электрической энергии в автономных транспортных средствах, судах и летательных аппаратах. Это во многом объясняется возможностью их параллельной работы с резервными источниками на транспортных средствах – аккумуляторами. Генераторы постоянного тока смешанного возбуждения, имеющие падающую внешнюю характеристику, используются для электросварки.

Распространение двигателей постоянного тока обусловлено возможностью глубокого и плавного регулирования частоты вращения и получения желаемых механических характеристик, возможностью работы при низкой частоте вращения с достаточно высоким к.п.д., а также большим пусковым моментом и перегрузочной способностью. Двигатель с независимым и смешанным (согласное включение) возбуждением, имеющие жесткие механические характеристики, применяются в регулируемых металлургических электроприводах, например, в приводах валков прокатных станов. Крупные двигатели постоянного тока приводят во вращение гребные винты на судах и мотор-колеса на большегрузных автомобилях, имеющих электрическую передачу энергии от силовой установки. В большинстве транспортных средств, судов, летательных аппаратов вспомогательные устройства приводятся в действие электродвигателями постоянного тока. Двигатели постоянного тока последовательного и смешанного возбуждения имеют мягкие механические характеристики. Они находят применение в качестве тяговых двигателей электровозов, тепловозов, трамваев, троллейбусов и т.п., где требуется большой пусковой момент для преодоления инерции больших масс при трогании и небольшой момент при движении на высоких скоростях. Такие же свойства двигателей постоянного тока используются в приводах подъемно-транспортных устройств (краны, лифты) и экскава-

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 14

22

торов.

Кроме рассмотренных машин постоянного тока общепромышленного применения существуют множество специальных машин. Они имеют существенные особенности конструкции, но по характеру происходящих преобразований энергии относятся к типу машин постоянного тока. Можно отметить некоторые из них.

Например, в машинах постоянного тока малой мощности (от долей ватта до десятков-сотен ватт) для создания магнитного поля возбуждения могут применяться постоянные магнитны. Генераторы постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов чаще всего используются как датчики частоты вращения – тахогенераторы. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами находят применение в качестве исполнительных двигателей в системах автоматики.

В униполярных (одноименнополюсных) машинах постоянного тока кольцевые обмотки возбуждения располагаются концентрически вокруг якоря таким образом, чтобы магнитный поток в активной зоне машины имел бы одно и то же направление (а не чередующееся, как в обычной машине). При этом ЭДС, индуцируемые в проводниках якоря также имеют одно направление, а токосъем с якорной обмотки осуществляется с помощью щеток и контактных колец, а не коллектора. Униполярные машины постоянного тока отличаются высоким КПД и применяются в качестве источников больших токов до 150 кА. Униполярные генераторы – наиболее подходящие источники питания для мощных электролизных установок. Перспективными являются и такие машины постоянного тока как магнитогидродинамические генераторы (МГД-генератор). По каналу, расположенному между полюсами такой машины, пропускается проводящая жидкость или газ (плазма). Под действием магнитного поля возбуждения в движущейся проводящей среде индуцируется ЭДС, которая включается в электрическую цепь с помощью электродов, закрепленных на стенках канала. При-

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 14

23

менение МГД-генераторов как приставки на тепловых и атомных электростан-

циях позволяет повысить к.п.д. станции с 40÷43% до 45÷50%. В качестве рабочей проводящей среды в таких МГД-генераторах используется ионизированная плазма, получаемая при сжигании обычного топлива или путем нагревания газа в атомных реакторах.

Как и всякая электрическая машина, МГД-машина обратима. МГДдвигатели используются в качестве электромагнитных насосов для перекачки жидкометаллических теплоносителей в ядерных реакторах. Плазменный МГДдвигатель рассматривается как вариант двигателя вспомогательных устройств космических кораблей.

В качестве перспективных конструкций двигателей постоянного тока можно отметить также беспазовые двигатели и двигатели с печатной обмоткой. Они обладают высокой надежностью и быстродействием и могут использоваться в качестве исполнительных двигателей робототехнических систем.

Заключение

1. На проводники с током обмотки якоря действует электромагнитная сила, которая создает электромагнитный вращающий момент. Таким образом, электромагнитный момент машины постоянного тока пропорционален току в обмотке якоря IЯ и магнитному потоку возбуждения Фв.

Mэм =CМ I яФв, [Нм].

Вдвигателе постоянного тока электромагнитный момент определяет механическую мощность на его валу. В генераторе постоянного тока электромагнитный момент уравновешивает момент приводного двигателя.

2. При вращении якоря машины постоянного тока в магнитном поле воз-

буждения в его обмотке индуцируется ЭДС. ЭДС обмотки якоря машины по-

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 14

24

стоянного тока пропорциональна магнитному потоку возбуждения и частоте вращения якоря.

Eя =CeФвn , [В].

Вдвигателе постоянного тока ЭДС якоря уравновешивает напряжение, приложенное к его обмотке. В генераторе постоянного тока ЭДС якоря определяет напряжение на его зажимах.

3. Преобразование энергии в машинах постоянного тока сопровождается потерями энергии. В МПТ можно выделить четыре составляющих потерь: потери в обмотке возбуждения, определяемые ее сопротивлением и током возбуждения; потери в обмотке якоря, определяемые ее сопротивлением и током якоря; магнитные потери в магнитопроводе, определяемы перемагничиванием магнитопровода якоря; механические потери, определяемые трением вращающихся частей. К.п.д. машины постоянного тока в зависимости от мощности может быть 60÷96%.

4. Основными характеристиками генератора постоянного тока являются: характеристика холостого хода, внешняя характеристика и регулировочная характеристика.

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). х.х.х. определяется нелинейными свойствами стального магнитопровода и соответствует виду кривой намагничивания стали.

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.

Регулировочная характеристика – это зависимость тока возбуждения от тока якоря, при неизменном напряжении на зажимах генератора и постоянной частоте вращения. Она показывает как необходимо регулировать ток возбужде-

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 14

25

ния при изменении нагрузки, чтобы поддерживать напряжение на зажимах генератора неизменным.

Внешняя и регулировочная характеристики генератора зависят от способа возбуждения.

5. Характеристики двигателя постоянного тока определяются его механической характеристикой, пусковыми и регулировочными свойствами.

Механическая характеристика – это зависимость частоты вращения n от момента нагрузки на валу M (n=f(M)). С увеличением момента M на валу двигателя частота вращения n уменьшается.

Пуск двигателя постоянного тока сопровождается большим пусковым током якоря. Пусковой ток может быть ограничен включением в цепь якоря пускового реостата, либо регулированием напряжения на обмотке якоря.

Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока может осуществляться тремя способами: изменением магнитного потока Фв (полюсное регулирование), изменением сопротивления в цепи якоря Rя (реостатное регулирование) и изменением напряжения U, приложенного к обмотке якоря (якор-

ное регулирование).

Механическая характеристика при номинальном токе возбуждения и номинальном напряжении якоря называется естественной механической характеристикой. Искусственные механические характеристики зависят от способа регулирования. Вид механической характеристики, пусковые и регулировочные свойства существенно зависит от способа возбуждения машины.

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 14

26

Контрольные вопросы

От чего зависит электромагнитный момент МПТ?

1)Электромагнитный момент машины постоянного тока пропорционален току в обмотке якоря и магнитному потоку возбуждения;

2)Электромагнитный момент машины постоянного тока пропорционален частоте вращения и обратно пропорционален магнитному потоку возбуждения;

3)Электромагнитный момент машины постоянного тока обратно пропорционален току в обмотке якоря и магнитному потоку возбуждения.

Как изменится электромагнитный момент МПТ при уменьшении тока якоря?

1)Уменьшится;

2)Увеличится;

3)Не изменится.

От чего зависит ЭДС в обмотке якоря МПТ?

1)ЭДС обмотки якоря машины постоянного тока пропорциональна магнитному потоку возбуждения и частоте вращения якоря;

2)ЭДС обмотки якоря машины постоянного тока пропорциональна току якоря;

3)ЭДС обмотки якоря машины постоянного тока обратно пропорциональна магнитному потоку возбуждения и частоте вращения якоря.

Как изменится ЭДС в обмотке якоря МПТ при увеличении частоты вращения?

1)Уменьшится

2)Увеличится

3)Не изменится

Основные составляющие потерь энергии в ДПТ:

1)Потери в обмотке возбуждения, потери в обмотке якоря, магнитные потери механические потери.

2)Электрические потери в обмотках, магнитные потери в магнитопроводе, потери в приемнике

3)Электрические потери в обмотках и механические потери

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 14

27

Основные составляющие потерь энергии в ГПТ:

1)Потери в обмотке возбуждения, потери в обмотке якоря, магнитные потери механические потери.

2)Электрические потери в обмотках, магнитные потери в магнитопроводе, потери в приемнике

3)Электрические потери в обмотках и механические потери

Характеристика холостого хода ГПТ – это

1)Зависимость напряжения на зажимах генератора от тока возбуждения

2)Зависимость напряжения на зажимах генератора от тока в приемнике (тока якоря)

3)Зависимость тока возбуждения от тока якоря, при неизменном напряжении на зажимах генератора

Зависит ли напряжение генератора постоянного тока от величины нагрузки?

1)С увеличением нагрузки напряжение ГПТ уменьшается.

2)С увеличением нагрузки напряжение ГПТ увеличивается.

3)Напряжение ГПТ не зависит от величины нагрузки.

Что такое внешняя характеристика генератора постоянного тока?

1)Зависимость напряжения на зажимах генератора от тока возбуждения

2)Зависимость напряжения на зажимах генератора от тока в приемнике (тока якоря)

3)Зависимость тока возбуждения от тока якоря, при неизменном напряжении на зажимах генератора

Указать график внешней характеристики ГПТ независимого возбуждения

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 14

28

Что такое холостой ход ГПТ ?

1)Режим работы ГПТ при разомкнутой обмотке якоря (отключенном приемнике).

2)Режим работы ГПТ при замкнутых между собой выводах обмотки якоря.

3)Режим работы, при котором обмотка возбуждения отключена

Чем объясняется уменьшение напряжения ГПТ с увеличением тока якоря?

1)Падением напряжения в обмотке якоря;

2)Уменьшением сопротивления приемника;

3)Уменьшением частоты вращения.

Как необходимо изменять ток возбуждения ГПТ при увеличении тока нагрузки, чтобы поддержать напряжение неизменным?

1)Увеличивать

2)Уменьшать

3)Ток возбуждения не влияет

Механическая характеристика ДПТ – это:

1)Зависимость частоты вращения n от момента нагрузки на валу M

2)Зависимость частоты вращения n от тока якоря;

3)Зависимость частоты вращения n от тока возбуждения.

Зависит ли частота вращения двигателя постоянного тока от момента нагрузки на валу:

1)С увеличением момента M на валу двигателя частота вращения n уменьшается.

2)С увеличением момента M на валу двигателя частота вращения n увеличивается.

3)С увеличением момента M на валу двигателя частота вращения n не меняется.

Изменится ли частота вращения двигателя постоянного тока при изменении момента нагрузки на валу:

1)С увеличением момента M на валу двигателя частота вращения n уменьшается.

2)Частота вращения изменяется пропорционально моменту на валу двигателя

3)Частота вращения ДПТ не зависит от момента на валу двигателя

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 14

29

Как соотносятся частота вращения холостого хода (n0) и номинальная частота вращения (nном) ДПТ?

1)nном = n0

2)nном > n0

3)nном < n0

Что такое холостой ход ДПТ ?

4)Режим работы ДПТ при отсутствии механической нагрузки на валу.

5)Режим работы ДПТ при отключенной обмотке якоря.

6)Режим работы ДПТ при отключенной обмотке возбуждения.

7)Аварийный режим, возникающий при обрыве цепи обмотки якоря.

Указать график механической характеристики ДПТ.

Как изменится частота вращения ДПТ, если в цепь якоря ввести добавочное сопротивление?

1)Уменьшится

2)Увеличится

3)Не изменится

Как изменится частота вращения ДПТ при введении добавочного сопротивления в цепь возбуждения?

1)Уменьшится

2)Увеличится

3)Не изменится

Чем объясняется значительное превышение пускового тока якоря ДПТ?

1)Отсутствие противоЭДС в обмотке якоря в момент пуска;

2)Перенапряжение в сети в момент пуска;

3)Уменьшенное сопротивление обмотки якоря в момент пуска.

Модуль II. Магнитные цепи и электромагнитные устройства

Лекция 14

30