UMK_Avdeyko
.pdf
Щетки подключаются к электрической нагрузке, если электрическая машина работает в режиме генератора, или к щеткам подключают внешний источник питания, если машина работает в режиме двигателя.
Электродвижущая сила в машине постоянного тока (МПТ) образуется следующим образом. Включаем обмотку возбуждения в сеть постоянного тока. Ток в обмотке возбуждения создает постоянный магнитный поток, который проходит через главные полюсы, воздушный зазор, и, раздваиваясь, замыкается по якорю и статору. Необходимо помнить, что магнитные силовые линии должны быть замкнутыми.
Если якорь вращать, например, по часовой стрелке, то согласно закону электромагнитной индукции во внешних частях витков обмотки якоря возникает ЭДС. Направление ЭДС определяется правилом правой руки. Ладонь располагается перпендикулярно к магнитным силовым линиям таким образом, чтобы они входили в ладонь, большой палец должен быть направлен в сторону движения проводника относительно поля, тогда четыре пальца правой руки покажут направление ЭДС.
Таким образом, в проводниках, расположенных под северным полюсом, ЭДС направлена от нас (обозначено крестиком), а под южным полюсом – к нам (обозначено точкой) (см. рис. 8.1). Так как все витки соединены последовательно и согласно, эти ЭДС складываются, а общая ЭДС между щетками будет равна сумме в одной параллельной ветви (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Образование ЭДС якоря во вращающейся машине постоянного тока
131
Такая конструкция якоря несовершенна, т.к. щетки скользят непосредственно по оголенной части обмотки якоря, а в тех частях обмотки, которые находятся под якорем, магнитного поля нет, и ЭДС в них не образуется.
В реальной машине щетки скользят не по обмотке, а по специальным медным пластинам – ламелям, которые образуют коллектор. При этом от каждого витка или через несколько витков обмотки якоря делают отпайки к коллекторным пластинам, которые изолируются друг от друга.
Кроме того, обмотка якоря укладывается в пазы на внешней поверхности барабанного якоря. Если, например, прямой провод обмотки уложен в пазу под северным полюсом, то обратный провод уложен в пазу под южным полюсом. Таким образом уменьшается длина неактивной части обмотки и повышается ЭДС обмотки якоря.
В этом случае неактивными являются только лобовые (торцевые) части обмотки.
Условное графическое изображение электрических элементов МПТ (обмотки якоря и обмотки возбуждения) показано на рис. 8.3. Обмотка якоря изображается в виде окружности с примыкающими к ней щетками, а обмотка возбуждения – как индуктивность – четырьмя полуокружностями.
8.2. ЭДС обмотки якоря и электромагнитный момент
Независимо от режима работы машины постоянного тока (генераторного или двигательного) при вращении якоря в обмотке образуется ЭДС. Известно, что в прямом проводнике длиной l, движущемся со скоростью v и находящемся в однородном магнитном поле с индукцией B, ориентированном перпендикулярно к проводнику, возникает ЭДС e = lBv . Следовательно, ЭДС обмотки якоря пропорциональна скорости вращения якоря и интенсивности магнитного поля
ЕЯ = кФω , |
(8.1) |
где ω – угловая скорость вращения якоря (рад/с или с–1); Ф – магнитный поток под одним полюсом; к – безразмерный коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрии машины, количества проводников и числа пар параллельных ветвей.
132
Если по проводнику длиной l, который находится в однородном магнитном поле с индукцией В, ориентированной перпендикулярно к этому току, проходит ток IЯ, то на этот ток действует сила f = lBIЯ . Направление
электромагнитной силы определяется правилом левой руки. (Ладонь располагают перпендикулярно к вектору магнитной индукции. Четыре пальца показывают направление тока, а большой палец – направление силы).
Суммарное действие этих сил создает электромагнитный момент
МЭМ = кФIЯ . |
(8.2) |
8.3.Режим генератора
Врежиме генератора якорь вращается первичным двигателем (ПД), а обмотка возбуждения включена в сеть постоянного тока (рис. 8.4, а). При
вращении якоря в обмотке создается ЭДС ЕЯ, которая питает электрическую нагрузку.
Рассмотрим физические процессы и некоторые количественные соотношения для одного проводника обмотки якоря и распространим эти выводы на всю машину.
Всоответствии с законом электромаг-
нитной индукции в движущемся в магнитном поле проводнике возникает ЭДС. Под действием этой ЭДС возникает ток IЯ. Если этот элементарной источник тока замкнуть на электрическую нагрузку, то по второму закону Кирхгофа ЕЯ = RЯ IЯ +U (см. рис. 8.4).
То есть напряжение на зажимах якоря меньше его ЭДС на величину падения напряжения в обмотке якоря
U = EЯ − RЯ IЯ . |
(8.3) |
На ток в магнитном поле действует сила f (закон Ампера). Направление этой силы
определяется правилом левой руки. Суммарное действие этих сил создает электромагнитный момент МЭМ = кФIЯ , который направлен против вра-
щения якоря. Это означает, что электромагнитный момент в генераторе является тормозным.
133
Если увеличить электрическую нагрузку (уменьшить внешнее сопротивление R), то с возрастанием тока увеличивается тормозной электромагнитный момент и для вращения генератора необходимо увеличить вращающий момент первичного двигателя.
На холостом же ходу (внешнее сопротивление отключено) ток якоря равен нулю, следовательно, тормозной электромагнитный момент не возникает и первичный двигатель будет создавать небольшой вращающий момент, который должен преодолеть только механический момент трения.
Если левую и правую части уравнения (8.3) умножить на IЯ, то получим энергетическое уравнение
UI |
Я |
= E |
Я |
I |
Я |
− R |
Я |
I 2 |
или Р = Р |
мех |
− Р , |
|
|
|
|
Я |
эл |
|
где
Рмех = EЯ IЯ = кФωIЯ = ωM эм .
Электрическая мощность нагрузки равна механической мощности первичного двигателя за вычетом потери мощности в обмотке якоря.
Коэффициент полезного действия генератора ηг = Рэл .
Рмех
В зависимости от схемы включения обмотки возбуждения различают генераторы с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением (рис. 8.5).
Рис. 8.5. Возбуждения генератора:
а– независимое; б – параллельное;
в– последовательное; г – смешанное
Режим работы генератора определяется следующими параметрами: напряжением на зажимах якоря U, током нагрузки I, током в цепи возбуждения Iв и скоростью вращения якоря ω.
134
Для анализа работы генератора в различных режимах снимают различные характеристики.
Характеристика холостого хода (рис. 8.6, а) E = f (Iв ) показывает,
как изменяется напряжение на зажимах генератора, когда нагрузка отключена (I = 0), при изменении тока возбуждения. Характеристика снимается при номинальной скорости вращения якоря и подобна кривой намагничивания. Номинальная ЭДС выбирается обычно в режиме, близком к насыщению.
Рис. 8.6. Характеристики генератора:
а – характеристика холостого хода; б – семейство внешних характеристик
Внешняя характеристика (см. рис. 8.6, б) U = f (I) (снимается при Iв = const и ω = const ) показывает, как изменяется напряжение на зажимах генератора в зависимости от электрической нагрузки.
U = EЯ − RЯ I .
При уменьшении тока возбуждения уменьшается ЭДС ( ЕЯ = кФω и
Ф≡ Iв ), но наклон характеристик не изменяется.
8.4.Режим двигателя
Врежиме двигателя и обмотка якоря, и обмотка возбуждения включены в сеть постоянного тока (обычно в одну сеть) (рис. 8.7, a). При этом машина развивает вращающий момент, под действием которого вал якоря будет вращаться со скоростью ω. На валу якоря располагается рабочая машина (PM), создающая тормозной момент. В установившемся режиме вращающий момент, развиваемый двигателем, должен уравновесить момент сопротивления.
135
На рис. 8.7, б показан один проводник обмотки якоря сопротивлением RЯ, который включен на напряжение сети U. При этом создается ток IЯ, на который в магнитном поле действует сила f (закон Ампера). Эта сила создают электромагнитный момент, который вращает РМ, создающую момент сопротивления. В проводниках обмотки якоря, вращающегося с угловой скоростью ω, возникает ЭДС, направленная навстречу току.
По второму закону Кирхгофа
EЯ = U − RЯ IЯ
или
U = EЯ + RЯ IЯ . |
(8.3) |
Напряжение источника должно уравновесить ЭДС якоря и падение напряжения в обмотке якоря.
Ток в обмотке якоря определяется не только напряжением сети, но и про- тиво-ЭДС обмотки якоря, величина которой составляет около 90 % от напряжения сети в номинальном режиме.
IЯ = U − EЯ . |
(8.4) |
RЯ |
|
При увеличении механической на-
Рис. 8.7. Режим двигателя
грузки МС скорость вращения двигателя падает. Это приводит к уменьшению про- тиво-ЭДС (см. формулу (8.1) и, как следствие, – к возрастанию тока якоря
(см. формулу (8.4). При этом электромагнитный момент МЭМ возрастает (см. формулу (8.2). Увеличение электромагнитного момента будет происходить до тех пор, пока МЭМ не станет равным моменту сопротивления МС.
Свойство электродвигателя автоматически поддерживать равенство между вращающим моментом и моментом сопротивления рабочей машины называется саморегулированием.
136
8.5. Механические характеристики электродвигателя
На рис. 8.8, а показана схема включения электродвигателя. В цепи обмотки якоря и обмотки возбуждения включены регулировочные сопротивления Rр и Rв. Электродвигатель приводит во вращение рабочую машину PM со скоростью ω, развивая электромагнитный момент, равный и противоположно направленный моменту сопротивления рабочей машины.
При вращении в обмотке якоря возникает противо-ЭДС. В соответствии со вторым законам Кирхгофа
U = EЯ + (Rp + RЯ )IЯ = кФω + (Rp + RЯ )IЯ ,
откуда
ω = U − (Rp + RЯ ) IЯ .
кФ кФ
Ток якоря зависит от электромагнитного момента IЯ = МкФЭМ .
Следовательно,
ω = U − (Rp + RЯ ) МЭМ .
кФ (кФ)2
(8.5)
(8.6)
(8.7)
Зависимость (8.6) ω = f(IЯ) называется электромеханической характеристикой, а зависимость (8.7) ω = φ(МЭМ) – механической характеристикой
(см. рис. 8.8, б).
Рис. 8.8. Схема включения двигателя (а) и его электромеханическая и механическая характеристики (б)
Эти характеристики можно построить в одних осях, т.к. ток якоря при неизменном магнитном потоке пропорционален электромагнитному моменту.
137
Механическая характеристика представляет собой прямую линию, которую можно построить по двум точкам.
При МЭМ = 0 (режим холостого хода) скорость холостого хода ω0 = U/кФ максимальна, с увеличением электромагнитного момента она уменьшается. Момент, при котором скорость равна нулю, называется пусковым. Номинальный момент на порядок меньше пускового.
Кажется странным, что с увеличением вращающего момента скорость двигателя не возрастает, а уменьшается. Но механическая характеристика снимается в установившемся режиме, при котором скорость вращения двигателя постоянна. В этом режиме электромагнитный момент устанавливается равным моменту сопротивления рабочей машины. То есть электромагнитный момент не является независимым параметром. Он устанавливается в зависимости от механической нагрузки (МЭК = МС).
Поэтому зависимость ω = φ(МЭМ) надо понимать так: механическая
характеристика двигателя показывает, как изменяется скорость вращения двигателя при изменении нагрузки на его валу.
В режиме идеального холостого хода МС = 0 и, следовательно,
æ |
U - E |
ö |
МЭМ = кФIЯ = 0 . В этом режиме якорь не потребляет ток ç IЯ = |
кФ |
Я ÷ . |
è |
ø |
Это будет иметь место при EЯ = U. Иначе говоря, при отсутствии механической нагрузки двигатель будет разгоняться до скорости ω0, при которой ЭДС обмотки якоря сравняется с напряжением сети.
Чем больше будет механическая нагрузка, тем большим должен быть электромагнитный момент МЭМ = кФIЯ, тем больший ток должен потреблять электродвигатель.
Увеличение тока происходит за счет уменьшения противо-ЭДС, которая пропорциональна скорости вращения.
Следовательно, при увеличении нагрузки, чтобы развивать больший электромагнитный момент, двигатель вынужден потреблять больший ток из сети ценой уменьшения скорости вращения.
8.6.Регулирование скорости вращения двигателя
Всоответствии с формулой (8.7) скорость вращения двигателя при заданном моменте сопротивления на валу можно регулировать тремя
способами: изменением сопротивления в цепи якоря (RР = υαr), изменением магнитного потока (Ф(IВ) = υαr) и изменением напряжения питания
(U = υαr).
138
Первый способ (RР = υαr)
При изменении сопротивления в цепи якоря скорость холостого хода ω0 = U/кФ остается неизменной, а наклон механической характеристики увеличивается с увеличением сопротивле-
ния (рис. 8.9).
Если в цепи якоря отсутствует регулировочное сопротивление (RР = 0), то такая характеристика называется естественной. При нагрузке МС двигатель будет развивать скорость ω. При
включении различных сопротивлений (RР1, RР2) скорость вращения (при данной нагрузке) будет уменьшаться с увеличением сопротивлений.
Преимуществом этого способа регулирования является его простота, основным недостатком – неэкономичность. Действительно, регулирование производится в силовой, сильноточной цепи (цепи якоря). При этом требуется большого габарита реостат, который будет выделять значительную тепловую энергию, бесполезно рассеиваемую в пространстве.
Кроме того, при увеличении сопротивления механические характеристики становятся более «мягкими», т.е. при небольших колебаниях нагрузки скорость привода резко изменяется. Это сокращает диапазон регулирования. Считается, что минимальная скорость при номинальном моменте определяется на той механической характеристике, на которой двойная номинальная нагрузка вызывает полную остановку двигателя. Диапазон регулирования определяется отношением максимальной скорости к минимальной. При таком способе регулирования он не превышает
двух: Д = ωmax/ωmin ≈ 2:1.
Наконец, регулировать скорость этим способом можно только «вниз» от основной скорости. С учетом таких существенных недостатков этот способ можно применять в приводах небольшой мощности, где экономический фактор не играет большой роли.
Второй способ (Ф(IВ) = υαr)
Изменять магнитный поток можно только уменьшая его по отношению к номинальному, т.к. магнитную индукцию в номинальном режиме
139
выбирают на изгибе кривой намагничивания, после которого наступает насыщение. Для того чтобы даже незначительно увеличить магнитный поток, необходимо резко увеличить ток возбуждения. При уменьшении магнитного потока скорость хо-
|
лостого хода ω0 = U/кФ возрас- |
|
|
тает. Зависимость |
скорости |
|
вращения двигателя в |
режиме |
|
холостого хода от тока возбуж- |
|
|
дения при номинальном напря- |
|
|
жении называется регулировоч- |
|
|
ной характеристикой (рис. 8.10). |
|
|
С уменьшением тока возбужде- |
|
|
ния (магнитного потока) ско- |
|
Рис. 8.10. Регулировочная ха- |
рость резко возрастает. Поэтому |
|
рактеристика холостого хода |
обрыв в цепи возбуждения в ре- |
|
жиме холостого хода является аварийным режимом, когда электродвигатель «идет вразнос». По этой же причине нельзя пускать двигатель последовательного возбуждения без нагрузки.
При уменьшении магнитного потока увеличивается и наклон механической характеристики, которая становится более «мягкой». При этом способе регулирования при уменьшении магнитного потока скорость вращения может возрастать до величины ω′1, если нагрузка небольшая (МС1), но при больших нагрузках (МС2) скорость вращения будет уменьшаться до ω′2 (рис. 8.11).
Рис. 8.11. Механические характеристики двигателя при изменении магнитного потока
Преимуществом данного способа регулирования является экономичность, т.к. регулируют ток в цепи возбуждения, который на порядок – два меньше тока цепи якоря.
Небольшой диапазон регулирования ограничивает область применения этого способа.
Наиболее современен способ регулирования скорости вращения двигателя изменением напряжения сети.
140