От чего зависит эдс машины постоянного тока

От чего зависит ЭДС обмотки якоря в машинах постоянного тока

Обмотка якоря является замкнутой системой проводников, уложенных в пазах.

Элементом якорной обмотки является секция, которая может быть одно — или много витковой. Секция состоит из активных сторон и лобовых частей. При вращении якоря , в каждой из активных сторон индуцируется ЭДС , величина которой равна:

т.е. она зависит от магнитной индукции полюсов , длины проводника и скорости его движения V. В реальной машине , будь она генератором или двигателем, в наведении ЭДС участвуют все проводники обмотки якоря .

ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА ОБМОТКИ ЯКОРЯ

При вращении якоря генератора или двигателя в магнитном поле в его обмотке будет наводиться э. д. с.

Магнитная индукция в различных точках на окружности якоря имеет разные значения, следовательно, различны и э. д. с, наводимые в отдельных проводах обмотки якоря. Электродвижущая сила машины, равная сумме э. д. с, наводимых в проводах любой из параллельных ветвей обмотки якоря, может быть определена через среднее значение э. д. с. провода, умноженное на число проводов ветви.

Если магнитный поток одного полюса — Ф, то при числе полюсов машины 2р и поверхности якоря Sсреднее значение магнитной индукции на поверхности якоря

В_ср = (Ф • 2р)/S = (Ф • 2р)/πdl

где d — диаметр якоря, а l — его длина.

Среднее значение э. д. с. в каждом из проводов при

скорости вращения якоря п об/мин

E_ср = В_срlυ((Ф • 2р)/πdl) l ((πdn)/ 60) = Ф2р(n/60)

Обозначим число проводов обмотки якоря N, а число параллельных ветвей ее — 2a. Тогда в каждой параллель ной ветви обмотки якоря будет N/a последовательно соединенных проводов. Электродвижущая сила, наведенная в каждое параллельной ветви обмотки якоря, а следовательно, н э. д. с. машины

E = E_cp = 2p(n/60)(N/2a)Ф = (p/a)(n/60)NФ

Обозначив постоянную для данной машины величину N(p/(a•60)) через с_Е , получим :

Таким образом, э. д. с. машины пропорциональна маг нитному потоку и скорости вращения ее якоря.

Рис. 8-12. Поперечная реакция якоря. Рис. 8-13. Перераспределение магнитной индук ции от реакция якоря.

МОМЕНТ НА ВАЛУ МАШИНЫ

Независимо от того, в каком режиме работает машина — генератором или электродвигателем, на каждый провод якоря действует электромагнитная сила

F_пр = B_cplI = (Ф2р/πdl)lI

где B_cp — среднее значение магнитное индукции; d и I — диаметр и длина якоря; Ф2р — полный поток многополюсной машины;

I=I_я/ 2а — ток одной параллельной ветви, т. е. одного провода.

Полная сила, действующая на N проводов якоря по касательной к окружности якоря.

Если машина работает генератором, момент будет тормозной (М_т); при работе ее электродвигателем момент будет вращающим (М _в). Момент равен произведению тока якоря и потока машины.

МЕХАНИЧЕСКАЯ МОЩНОСТЬ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электрическая машина преобразует механическую энергию в электрическую или электрическую в механическую. При этом механическая мощность

Так как F = 2M/d, a υ = ω(d/2) то

Р_м = (2M/d )ω(d/2) = M ω

Подставляя сюда выражение для момента, получаем:

Таким образом, , развиваемая якорем машины механическая мощность равна ее электрической мощности, т.е. произведению электродвижущей силы и тока якоря. При работе машины генератором мощность EI_я больше, чем мощность UI_я , отдаваемая потребителю, так как Е > U. Когда машина работает электродвигателем и, значит, Е < U, тогда мощность EI_я меньше мощности UI_я, подаваемой из сети. Эта разница мощностей численно равна мощности тепловых потерь I 2 r_я в обмотке якоря.

РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ

Когда машина работает генератором вхолостую, т. е. при I_я = 0, магнитный поток возбуждения Ф _B , создаваем мый н. с. F_B, существует один и проходит от северного по люса к южному через якорь (рис. 8-12). В этом случае индукция В _δ в воздушном зазоре, в пределах полюсного наконечника, остается практически постоянной.

Если генератор нагружен, т. е. по обмотке якоря про ходит ток, якорь сам становится электромагнитом п его и. с. F_я создает второй поток — поперечный поток

якоря Ф_я. Он замыкается через воздушный зазор машины и поперек ее полюсов, уменьшая индукцию в воздушном зазоре В _δ под одним краем полюса (левым у северного и правым у южного и увеличивая В _δ под другим краем (правым у северного и левым у южного) (рис. 8- 13). По отношению направлению вращения якоря можно сказать, что набегающий край полюса размагничивается, а сбегающий — намагничивается.

Суммарный поток машины Ф смещен в направлении вращения якоря; в ту же сторону смещена нейтраль машины, называемая в данном случае физической нейтралью (рис. 8-13). В результате поток Ф при нагрузке несколько уменьшается, так как вследствие насыщения стати размагничивание на набегающем краю полюса оказывается большим, чем намагничивание на сбегающем. Влияние н. с. якоря на величину магнитного потока машины при нагрузке называется реакцией якоря.

В современных машинах постоянного тока, нормального исполнения уменьшение магнитного потока под влиянием реакции якоря незначительно.

Главная опасность этого явления, как будет показано ниже, заключается в том, что магнитная индукция в воз- душном зазоре под краем полюса может сильно возрастать.

Если машина работает электродвигателем, то при направления тока в якоре, указанном на рис. 8-12, якорь будет вращаться в обратную сторону. Следовательно, реакция якоря будет сдвигать поток Ф_и физическую нейтраль против хода якоря.

Как измерить сопротивление обмоток двигателя постоянного тока

Электродвижущая сила (ЭДС) и электромагнитный момент машины постоянного тока

2014-04-15 4808 ЭДС машины постоянного тока
наводится в обмотке якоря основным магнитным потоком Ф = [Ср×2р]/[π×D×lя] (магнитный поток одного полюса). Она прямо пропорциональна магнитной индукции на полюсном делении

Вср = [Ф×2р]/[π×D×lя], числу проводников одной параллельной ветви якоря Nп=N/2а (N — общее число проводников в обмотке, 2а – число параллельных ветвей), длине якоря lя (активная длина одного проводника якоря) и скорости движения проводников якоря v=[π·D·n]/60 (D – диаметр якоря, n – частота вращения):

Е =[Вср×N]/[2а×lя×v],или Е=.

Если щётки расположены на геометрических нейтралях, то:

Е = се×n×Ф,

где се = [р×N]/[60×а] – постоянная для данной машины величина, обусловленная её конструкцией и размерами.

Отсюда следует, что ЭДС машины постоянного тока пропорциональна числу оборотов якоря n, основному магнитному потоку Ф и постоянной машины се.

Электромагнитный момент машины постоянного тока

М образуется при прохождении электрического тока по пазовым обмоткам якоря и зависит от основного магнитного потока Ф тока якоря Iя и постоянной для данной машины см = р×N/2а, обусловленной её конструкцией и размерами:

М = см×Ф×Iя.

Электромагнитный момент машины постоянного тока является тормозящим в генераторах и вращающим в двигателях.

Какие электродвигатели можно проверить мультиметром

Если двигатель не имеет очевидных внешних повреждений, то есть вероятность того, что произошел внутренний обрыв цепи или произошло короткое замыкание. Но не все электродвигатели можно просто проверить на эти дефекты мультиметром.

Например, может возникнуть сложности в диагностике электродвигателей постоянного тока, так как их обмотка имеет практически нулевое сопротивление и его можно проверить только косвенным методом по специальной схеме: одновременно снимают показания с амперметра и вольтметра с вычислением результирующего значения сопротивления по закону Ома.

Таким образом проверяют все сопротивления обмоток якоря и замеряют значения между пластинами коллектора. Если сопротивления обмоток якоря различаются, то имеется неполадки, так как в исправной машине эти значения одинаковые. Разность в значениях сопротивления между соседними пластинами коллектора должна быть не больше 10%, тогда двигатель будет считаться исправным (но если в конструкции предусмотрена уравнительная обмотка, то это значение может достигать до 30%).

Электрические машины переменного тока разделяют на:

• синхронные: имеющие обмотки статора, расположенные под одинаковым углом смещения между собой, что позволяет двигаться с частотой, синхронной скорости вращения приложенной силы;
• асинхронные с короткозамкнутым ротором (одно- или трехфазные);
• асинхронные с фазным ротором, имеющие трехфазную обмотку;
• коллекторные.

Все эти типы двигателей доступны для диагностики с помощью измерительных приборов, в том числе с помощью мультиметров. В целом, двигатели переменного тока достаточно надежные машины и неисправности в них возникают достаточно редко, но все же такое случается.

Электродвижущая сила и электромагнитный момент машины постоянного тока

Формула ЭДС машины. При вращении обмотки якоря в магнитном поле полюсов в проводниках обмотки, как указывалось, наводится ЭДС:

Среднее значение этой ЭДС за половину периода

где – среднее значение магнитной индукции в воздушном зазоре, определяемое по кривой (рис. 1.7); – магнитный поток одного полюса; и определены ранее. ЭДС машины, как было показано, равна ЭДС одной параллельной ветви, поэтому, если обмотка якоря имеет N проводников, ее ЭДС

где – число параллельных ветвей.

Учитывая, что

где – диаметр якоря; – частота вращения якоря, об/мин; – число полюсов, получаем:

Таким образом, ЭДС обмотки якоря пропорциональна частоте вращения якоря и магнитному потоку главных полюсов машины.

Постоянная для данной машины величина называется конструктивным коэффициентом ЭДС.

Формула электромагнитного момента машины. При протекании тока по обмотке якоря сила взаимодействия тока в проводнике с магнитным полем определяется по закону Ампера выражением

Основные параметры электродвигателя постоянного тока

• Постоянная момента
• Постоянная ЭДС
• Постоянная электродвигателя
• Жесткость механической характеристики

Постоянная момента

• где M — момент электродвигателя, Нм,
• – постоянная момента, Н∙м/А,
• I — сила тока, А

Постоянная ЭДС

Направление ЭДС определяется по правилу правой руки. Направление наводимой ЭДС противоположно направлению протекающего в проводнике тока.

Наведенная ЭДС последовательно изменяется по направлению из-за перемещения проводников в магнитном поле. Суммарная ЭДС, равная сумме ЭДС в каждой катушке, прикладывается к внешним выводам двигателя. Это и есть противо-ЭДС. Направление противо-ЭДС противоположно приложенному к двигателю напряжению. Значение противо-ЭДС пропорционально частоте вращения и определяется из следующего выражения: [1]

• где — электродвижущая сила, В,
• – постоянная ЭДС, В∙с/рад,
• — угловая частота, рад/с

Постоянные момента и ЭДС в точности равны между собой KT = KE. Постоянные KT и KE равны друг другу, если они определены в единой системе едениц.

Постоянная электродвигателя

Одним из основных параметров электродвигателя постоянного тока является постоянная электродвигателя Kм. Постоянная электродвигателя определяет способность электродвигателя преобразовывать электрическую энергию в механическую.

• где — постоянная электродвигателя, Нм/√ Вт ,
• R — сопротивление обмоток, Ом,
• – максимальный момент, Нм,
• — мощность потребляемая при максимальном моменте, Вт

Постоянная электродвигателя не зависит от соединения обмоток, при условии, что используется один и тот же материал проводника. Например, обмотка двигателя с 6 ветками и 2 параллельными проводами вместо 12 одиночных проводов удвоят постоянную ЭДС, при этом постоянная электродвигателя останется не изменой.

Жесткость механической характеристики двигателя

• где — жесткость механической характеристики электродвигателя постоянного тока

Напряжение электродвигателя

Уравнение баланса напряжений на зажимах двигателя постоянного тока имеет вид (в случае коллекторного двигателя не учитывается падение напряжения в щеточно-коллекторном узле):

• где U — напряжение, В.

Уравнение напряжения выраженное через момент двигателя будет выглядеть следующим образом:

Соотношение между моментом и частотой вращения при двух различных напряжениях питания двигателя постоянного тока неизменно. При увеличении частоты вращения момент линейно уменьшается. Наклон этой функции KTKE/R постоянный и не зависит от значения напряжения питания и частоты вращения двигателя.

Благодаря таким характеристикам упрощается управление частотой вращения и углом поворота двигателей постоянного тока. Это характерно для коллекторных и вентильных двигателей постоянного тока, что нельзя сказать о двигателях переменного тока и шаговых двигателях [1].

Мощность электродвигателя постоянного тока

Упрощенная модель электродвигателя выглядит следующим образом:

• где I – сила тока, А
• U — напряжение, В,
• M — момент электродвигателя, Н∙м
• R — сопротивление токопроводящих элементов, Ом,
• L — индуктивность, Гн,

• Pэл — электрическая мощность (подведенная), Вт
• Pмех — механическая мощность (полезная), Вт
• Pтеп — тепловые потери, Вт
• Pинд — мощность затрачиваемая на заряд катушки индуктивности, Вт
• Pтр — потери на трение, Вт

Электромагнитный момент машины постоянного тока.

Момент возникает всегда, если в обмотке протекает ток, а она сама находится в магнитном поле. Однако роль электромагнитного момента в генераторе и двигателе различна. В двигателе момент является вращательным, а в генераторе тормозным, т. е противодействующим вращению якоря. Поэтому часто говорят, что генератор работает в режиме тормозящего момента, а двигатель в режиме противо – ЭДС.

Реакция якоря машины постоянного тока.

Воздействие намагничивающей силы якоря на основное поле называется реакцией якоря.

В машине результирующее поле одно, оно определяется совместным действием главного поля (создаваемого катушками возбуждения) и поля от реакции якоря.

Реакция якоря проявляется при работе машины под нагрузкой. Проявление реакции зависит от режима работы (двигатель или генератор):

1) От положения щёток относительно геометрической нейтрали

2) От насыщения магнитной цепи

Реакция якоря искажает основное поле машины. Реакция якоря может уменьшить основное поле машины, если магнитопровод насыщен.

Радикальным средством уменьшения реакции якоря является установка компенсационной обмотки, которая размещается в пазах башмаков главных полюсов и включается последовательно с обмоткой якоря. Но так, чтобы её намагничивающая сила была направлена противоположно намагничивающей силе якоря. Тогда результирующая кривая будет похожа на кривую при холостом ходе.

Компенсационная обмотка является радикальным средством, уничтожающим искажающее действие реакции якоря.

Другим, менее радикальным средством ослабления реакции якоря является увеличение зазора под краями главных полюсов.

Коммутация машин постоянного тока.

Коммутация – совокупность процессов, связанных с изменением тока в секции якоря при переходе её из одной параллельной ветви в другую. Процесс этот происходит под щёткой. Сопровождается этот процесс искрением. Искрение классифицируется ГОСТом.

Расчёт коммутации – переключение.

Для искрения ГОСТ 183-74.

1. Механические
2. Электромагнитного характера
3. Потенциального характера

еср – среднее межламельное напряжение.

Дата добавления: 2019-09-08 ; ; Мы поможем в написании вашей работы!

Принцип работы

Двигатели постоянного тока

На статоре находится индукторная обмотка (обмотка возбуждения), на которую подаётся постоянный ток — в результате создаётся постоянное магнитное поле (поле возбуждения). В двигателях с постоянными магнитами поле возбуждения создаётся постоянными магнитами.

В обмотку ротора (якорная обмотка) также подаётся постоянный ток, на который со стороны магнитного поля статора действует сила Ампера — создаётся вращающий момент, который поворачивает ротор на 90 электрических градусов, после чего щёточно-коллекторный узел коммутирует обмотки ротора – вращение продолжается.

По способу возбуждения двигатели постоянного тока делятся на четыре группы:

• С независимым возбуждением — обмотка возбуждения питается от независимого источника
• С параллельным возбуждением — обмотка возбуждения включается параллельно источнику питания обмотки якоря
• С последовательным возбуждением — обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря
• Со смешанным возбуждением — у двигателя есть две обмотки: параллельная и последовательная.

Пуск двигателя постоянного тока

При прямом пуске ток якоря может на порядок превышать номинальный, поэтому при пуске в цепь якоря вводится пусковое сопротивление пусковой реостат. Для плавного пуска реостат делают ступенчатым — в первый момент включаются все ступени (максимальное сопротивление), по мере разгона двигателя растёт противо-ЭДС, ток якоря уменьшается — ступени выключаются одна за другой.

Регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока

• Скорость ниже номинальной регулируется напряжением на якоре (мощность при этом пропорциональна скорости, момент неизменен)
• Скорость выше номинальной регулируется током обмотки возбуждения — чем слабее поле возбуждения, тем выше скорость (момент падает при постоянной мощности)

Регулирование питания якоря и обмотки возбуждения осуществляется с помощью тиристорных преобразователей (приводов постоянного тока).

Электрические машины постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока состоит из индуктора, якоря и коллектора. Индуктор, служит для создания магнитного поля полюсов и расположен на неподвижной ее части — статоре. Якорем машины является ее вращающаяся часть. В соответствии с законом электромагнитной индукции, при вращении якоря в магнитном поле главных полюсов в его обмотке наводятся переменные ЭДС, которые "выпрямляются" щеточно-коллекторным устройством.

Магнитная цепь машин постоянного тока выполняется таким образом, что в ней поддерживается постоянное по величине и неподвижное в пространстве магнитное поле, в котором помещается подвижная часть машины в, виде металлического цилиндра с расположенными на нем витками. Таким образом, характерным для электромагнитной схемы машин постоянного тока является то обстоятельство, что в них ЭДС индукции наводится в витках, движущихся в неподвижном магнитном поле, и проводники с током взаимодействуют также с неподвижным магнитным полем (рис. 10).

Электромагнит создает магнитное поле, линии которого сцепляются с витком якорной обмотки. Магнитные линии, проходящие мимо обмотки, совершенно бесполезны. Величина магнитного потока должна быть по возможности большой, так как чем больше магнитный поток, тем больше величина напряжения, индуктируемого в якоре. По этим соображениям направляют путь магнитных линий по стали, так как намагниченная сталь создает внутри себя добавочный магнитный поток. Поэтому и сердечник электромагнита, и якорь сделаны из стали.

Путь магнитных линий в генераторе постоянного тока показан на рис.1. Направление токов в обмотках возбуждения по правилу винта создают магнитные линии в якоре одного и того же направления и, следовательно, их магнитные потоки складываются. Верхний сердечник является южным полюсом, нижний — северным. Показанная магнитная система имеет одну пару полюсов.

Существуют и более сложные магнитные системы, содержащие два северных и два южных полюса. В этом случае направление токов в обмотках возбуждения выбирается с таким расчетом, чтобы соседние полюсы были разноименными, т.е. чтобы рядом с северным находился южный полюс и т.д. Говорят, что такая магнитная система имеет две пары полюсов. Существуют машины и с большим числом полюсов, но их число будет непременно четным.

Часть пути магнитные линии проходят по воздуху. Якорь должен вращаться, а для этого необходим воздушный зазор между ним и полюсами. Однако величину этого зазора делают настолько малой, насколько это позволяет неизбежное изнашивание подшипников машин.

Величина магнитного потока зависит от размеров и материала машины, числа витков и величины протекающего по ним тока.

В современных электрических машинах не слишком большой мощности возбуждение осуществляется не только от электромагнитов, но и от постоянных магнитов. При этом габариты машины уменьшаются, исключаются потери на нагрев обмотки возбуждения и возрастает КПД. Электрические машины с постоянными магнитами более технологичны, их производство легко автоматизировать.

Машины постоянного тока имеют устройство, выпрямляющее переменный ток и превращающее его в постоянный. Это устройство называется коллектором. Плоскость витка, вращающегося в магнитном поле, перпендикулярна направлению магнитных линий и напряжение в нем равно нулю.

В сложных обмотках, составленных из многих витков, плоскости которых не совпадают друг с другом, напряжение будет проходить нулевое значение не одновременно. Но как бы ни были расположены отдельные витки, нулевое значение напряжения будет наступать в одном и том же месте, а именно на нейтральной линии. Нейтральная линия располагается симметрично относительно северного и южного полюсов. В частности в четырехполюсной машине имеется не одна, а две нейтральные линии.

В тот момент, когда ток в витке равен нулю, происходит пересоединение проводов, связывающих генератор с нагрузкой. Концы вращающегося витка обозначены цифрами 1 и 2, концы отходящих проводов цифрами 3 и 4 (рис. 11).

В течение одного полупериода ток в витке генераторной обмотки направлен так, как показано на первой схеме. Ток в нагрузке направлен от конца 3 к концу 4. После того как этот полупериод закончился, ток в генераторе изменит свое направление. В этот же момент времени происходит пересоединение нагрузочных концов, вследствие чего ток в нагрузке сохраняет свое направление.

Направление тока у потребителя остается постоянным, а величина его будет меняться по выпрямленной синусоиде. График такого тока показан на рис. 12. Ток следующего витка также будет выпрямленной синусоидой, и, сложившись с током предыдущего витка, он сгладит колебания величин тока. При большом числе витков получается почти неизменный ток.

В простейшем случае коллектор представляет собой две половины кольца, изолированные друг от друга, к этим полукольцам присоединяются концы обмотки, в которой наводится переменное напряжение (рис. 13).

К поверхности этих вращающихся полуколец прижаты неподвижно закрепленные угольные щетки, соединяющие обмотку генератора с внешней цепью.

Если установить щетки на нейтральной линии, то полученное устройство, автоматически осуществляет переключение, соответствующее переключению, показанному на рис. 12.

На рис. 13 показано положение полуколец, при котором щетка I перескочила на кольцо, соединенное с проводом 1, а щетка II — на кольцо, соединенное с проводом 2. Если ось магнитного потока направлена прямо за плоскость чертежа, то момент перехода щеток соответствует моменту, когда изменяется направление напряжения. Генератор с одной парой коллекторных пластин (два полукольца) будет давать ток постоянный по направлению, но не по величине.

Якорь представляет собой стальной цилиндр (барабанный якорь), на котором расположены витки обмотки. Эти витки соединены между собой последовательно и образуют замкнутую цепь.

При вращении якоря магнитный поток, пронизывающий витки обмотки, будет меняться. В результате в каждом из витков будет возникать переменная ЭДС, изменяющаяся приблизительно по закону синуса. Во всех витках, расположенных по одну сторону нейтральной линии, ЭДС будут иметь один и тот же знак.

Соединение проводников обмотки выбирают таким, чтобы ЭДС складывались по схеме петлевой обмотки или по схеме волновой обмотки (рис.5). Если соединить два витка, у которых обе стороны лежат под одними и теми же полюсами, то получится петлевая обмотка (рис. 14, а) Если же соединить витки, стороны которых лежат под разными полюсами, то получится волновая обмотка (рис. 14, б). Обмотки укладываются в специальных пазах, вырезанных по поверхности якоря.

Концы проводов соединяют и с коллектором, для получения постоянного тока, и между собой, иначе цепь будет незамкнутой. При соединении свободных концов руководствуются тем же правилом, что и при соединении начал: расстояние между соединительными концами должно быть примерно равным половине окружности якоря.

Электрическая машина постоянного тока, как и другие машины, представляют собой два электромагнитно связанных контура, причем намагничивающая сила (НС) одного из этих контуров поддерживает основное магнитное поле. Этим контуром в машине постоянного тока является обмотка возбуждения машины, а вторичным контуром — обмотка якоря. Пока во вторичном контуре нет тока, этот контур не оказывает влияния на магнитное поле, создаваемое первичным контуром. Но как только во вторичном контуре появляется ток, то в магнитной цепи машины возникает дополнительная НС, действующая несогласованно с основной НС. Это явление получило название реакции якоря, которое приводит к снижению ЭДС машины, некоторому снижению главного магнитного потока в машине, а также ухудшает условия коммутации машины.

Мощность, получаемая электрическими машинами, всегда меньше мощности, отдаваемой ими, но часть мощности непроизводительно теряется в самих машинах. Это справедливо для любых процессов: происходит ли преобразование электрической мощности в электрическую (трансформатор); механической мощности в электрическую (генератор) или электрической в механическую (двигатель).

Потеря мощности в электрических машинах обычно бывает очень невелика, она составляет 5 — 15% преобразуемой мощности.

Потери в электрических машинах могут быть разделены на три категории: потери мощности на механическое трение (во вращающихся машинах), потери мощности на нагрев проводов, по которым протекает ток (потери в меди), и потери мощности, связанные с перемагничиванием стали (потери от вихревых токов и от гистерезиса). Все эти три вида теряемой мощности в результате идут на нагрев машины.

В тех частях машины, где имеется переменное магнитное поле, железо расслаивают, собирая эти части из листов железа, изолированных друг от друга. Этим достигается значительное уменьшение потерь на вихревые токи.

В машинах постоянного тока в неподвижном остове машины и в полюсах магнитный поток будет неизменным, а во вращающемся якоре сталь непрерывно перемагничивается (якорь вращается в постоянном магнитном поле). Поэтому в машинах постоянного тока их станина выполняется обычно из сплошной стали, а якорь собирается из отдельных листов.

В целях увеличения магнитного потока и уменьшения потерь на перемагничивание, при изготовлении машин пользуются специальными сортами стали. В электромашиностроении главным образом применяется кремнистая листовая сталь, обладающая относительно малой проводимостью (что приводит к уменьшению вихревых токов) и малым гистерезисом. Машины постоянного тока изготавливаются на мощности от долей ватт до 12 МВт. Номинальное напряжение их не превышает 1500 В. Частота вращения машин колеблется в широких пределах — от нескольких оборотов до нескольких тысяч оборотов в минуту.

Все электрические машины постоянного тока могут быть разделены на две основные группы: генераторы и электродвигатели. Цепь возбуждения и цепь якоря в машинах постоянного тока по отношению к сети могут быть включены различными способами. По способу возбуждения генераторы постоянного тока подразделяют на генераторы с независимым возбуждением и на генераторы с самовозбуждением. У генераторов с независимым возбуждением цепь возбуждения питается от независимого постороннего источника, которым может служить другая машина постоянного тока или аккумулятор. У генераторов с самовозбуждением цепь возбуждения питается непосредственно от самого генератора. Генераторы постоянного тока с самовозбуждением делятся в свою очередь на генераторы с параллельным возбуждением, генераторы с последовательным возбуждением и генераторы со смешанным возбуждением (рис.15). Для регулирования ЭДС машины достаточно менять ток в цепи ее возбуждения. Этой цели служит регулировочный реостат, включаемый в цепь возбуждения машины последовательно с ее обмоткой возбуждения.

У генераторов с параллельным возбуждением цепь возбуждения подключается к щеткам якоря генератора параллельно внешней цепи:

где : — ток якоря,

У генераторов с последовательным возбуждением обмотка возбуждения соединяется последовательно с цепью якоря и с цепью внешней нагрузки.

У генераторов со смешанным возбуждением имеются две обмотки возбуждения: одна включается параллельно, а другая последовательно с внешней цепью.

ЭДС якоря машины постоянного тока пропорциональна скорости вращения якоря и магнитному потоку полюса машины:

гдеС_е — постоянная, зависящая от конструктивных данных машины,

n — частота вращения якоря,

Ф — результирующий магнитный поток,

р — число пар полюсов статора,

N — число активных проводников обмотки якоря,

а — число пар параллельных ветвей обмотки.

Из этого простого выражения видно, от чего зависит в машине постоянного тока величина ЭДС и каким путем можно ее регулировать. В генераторах скорость вращения остается при работе, как правило, постоянной и потому регулирование ЭДС генераторов осуществляется изменением магнитного потока путем изменения тока возбуждения. При работе двигателей скорость вращения изменяется при изменениях механической нагрузки, что вызывает соответствующее изменение ЭДС. Кроме того, регулирование скорости вращения двигателей постоянного тока производится путем изменения тока возбуждения, и тем самым магнитного потока, что также отражается на изменении ЭДС.

В генераторах постоянного тока происходит преобразование механической мощности вращения ротора:

где М -вращающий момент на валу ротора с якорной обмоткой,

n — частота вращения ротора.

в электромагнитную мощность:

где Е — ЭДС якорной обмотки,

I_я — ток в якорной обмотке.

С учетом потерь в генераторе , в нагрузке, подключаемой к якорной обмотке через коллектор, выделяется часть электромагнитной мощности .

КПД генератора находится как:

Напряжение на выводах генератора:

где — сопротивление цепи якоря, приведенное к рабочей температуре обмоток .

К основным характеристикам генераторов постоянного тока относятся:

— характеристика холостого хода дает зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения при разомкнутой внешней цепи, т.е. при , и при постоянстве скорости вращения машины . Характеристика холостого хода дает представление о степени насыщения стали машины. По этой характеристике можно определить. На какое номинальное напряжение изготовлена машина.

— внешняя характеристика отражает изменение напряжения на зажимах машины при изменении тока в цепи якоря при и (для независимого возбуждения) или (при самовозбуждении). Для генераторов постоянного тока эту зависимость можно выразить , где сопротивление цепи якоря с учетом переходного сопротивления скользящего контакта щеток и обмоток дополнительных полюсов, если таковые имеются. Внешнюю характеристику можно снимать на понижение и на повышение напряжения.

— регулировочная характеристика , при , .

Все двигатели постоянного тока могут быть отнесены к группе машин постоянного тока с независимым возбуждением, так как питание цепи якоря двигателя и его цепи возбуждения осуществляется во всех схемах от внешней сети. По схеме включения обмотки двигатели постоянного тока делятся на двигатели с параллельным включением обмотки якоря и обмотки возбуждения, называемые двигателями с параллельным возбуждением, двигатели с последовательным включением этих обмоток, называемые двигателями с последовательным возбуждением и двигатели со смешанным возбуждением (рис.15). Пуск в ход двигателей при питании от источника постоянного напряжения осуществляется с помощью реостата , включаемого в цепь якоря, при этом происходит ограничение пускового тока до предельно допустимого.

В двигателях постоянного тока происходит преобразование электрической мощности в электромагнитную , а затем в механическую мощность вращения якоря

Вращающий (электромагнитный) момент двигателя и частота вращения определяются выражениями:

Независимо от способа возбуждения равновесное состояние электрической цепи якоря имеет следующий вид:

с учетом (2), решив его относительно тока и скорости вращения, эта формула примет вид:

Полученное соотношение позволяет провести анализ свойств различных двигателей.

К основным характеристикам двигателей относятся: рабочие , , , или и механическая при и .

Наиболее важные режимы работы двигателей: пуск в ход, регулирование частоты вращения, торможение и реверсирование.

Пуск в ход двигателей при питании от источника постоянного напряжения осуществляется с помощью реостата , включаемого в цепь якоря (рис. 16). При этом происходит ограничение пускового тока до предельно допустимого значения. Частота вращения регулируется тремя способами:

1) изменением напряжения цепи якоря,

2) изменением тока возбуждения, т.е. ,

3) введением добавочного сопротивления в цепь якоря.

Существует три способа торможения двигателей постоянного тока:

1) рекуперативное (с возвратом энергии в сеть),

ПРИМЕРЫ

Пример 1.Генератор независимого возбуждения имеет следующие номинальные параметры кВт; В; об/мин; рабочее сопротивление цепи якоря Ом. Определить потери в генераторе, его КПД и необходимый момент приводного двигателя, если механические и магнитные потери составляют , а ток возбуждения .

Решение.Ток якоря определяется из соотношения

А.

Потребляемая механическая мощность

момент двигателя Нм.

Пример 2. Двигатель постоянного тока независимого возбуждения имеет следующие номинальные параметры: кВт; В; об/мин; ; Ом; . Определить номинальный ток якоря, ЭДС и вращающий момент двигателя, магнитный поток одного полюса и электромагнитную мощность.

Решение.Так как в паспорте на двигателе указывается номинальная механическая мощность , то потребляемая кВт. Ток якоря находим (при параллельном возбуждении) из соотношений А.

ЭДС определяем по формуле

Электромагнитная мощность: кВт.

Вращающий момент двигателя , а магнитный поток . Окончательно Вб и .

Пример 3. Двигатель параллельного возбуждения имеет следующие номинальные параметры: В, Ом, об/мин, А. Определить вращающий момент двигателя при токе А и постоянном напряжении В. Построить рабочую характеристику в пределах от 0 до .

Решение. Рабочую характеристику можно рассчитать, по формуле .

Частота вращения также зависит от тока якоря

Подставляем исходные данные, находим расчетное уравнение

График зависимости в диапазоне изменения тока от 0 до приведен на рисунке 17.

При заданном в условии токе А момент равен .

Пример 4. Электродвигатель постоянного тока типа П62 с параллельным возбуждением имеет номинальные данные, указанные на его щитке: полезная мощность на валу кВт, напряжение В, частота вращения об/мин, ток, потребляемый из сети, А. Определить номинальный момент на валу , номинальные суммарные потери мощности и номинальный КПД электродвигателя при номинальном режиме работы.

Решение. Номинальный момент на валу электродвигателя:

Номинальная мощность, подведенная к электродвигателю из сети:

Номинальные суммарные потери мощности в электродвигателе:

Номинальный КПД электродвигателя:

Пример 5. Двигатель последовательного возбуждения имеет следующие номинальные параметры В, А, Ом, об/мин. Определить частоту вращения двигателя при токе А и при постоянном напряжении 100 В. Построить рабочую характеристику в пределах от 100 до 900 А.

Решение. Для нахождения рабочей характеристики:

Используя безразмерную зависимость, привидению в приложении 8, , где и , можно записать:

Номинальное значение ЭДС двигателя определяется по формуле В, соотношения и .

Подставляя эти соотношения, получаем следующее расчетное уравнение:

Верхний предел изменения тока ограничен насыщением магнитной системы, т.е. А. Нижний предел выбираем из условия, чтобы частота вращения не превышала , т.е. и А.

График зависимости приведен на рис. 18.

При заданном в условии токе А аргумент , функция и частота вращения двигателя об/мин.

Пример 6. Генератор параллельного возбуждения имеет следующие данные: В, А, А и Ом. Построить внешнюю характеристику генератора в режимах холостого хода и короткого замыкания.

Решение. На основании выражения можно найти исходную расчетную зависимость, учитывая, что ЭДС является функцией тока возбуждения , а ток возбуждения зависит от напряжения генератора . Таким образом, ток нагрузки в данном случае определяется из соотношения или .

Для того чтобы воспользоваться универсальной магнитной характеристикой, необходимо знать, что ее аргумент и функция находятся по соотношениям

С их помощью расчет сводится к линейным преобразованиям

где номинальное значение ЭДС В

и проводимость якорной цепи Ом.

В соответствии с полученными выражениями ток якоря равен нулю при . По универсальной магнитной характеристике это соответствует значению аргумента или напряжению В.