Характеристики дпт с параллельным возбуждением. Возбуждение двигателя постоянного тока

Электродвигатели – это машины, способные превращать электрическую энергию в механическую. В зависимости от типа потребляемого тока они делятся на двигатели переменного и постоянного тока. В данной статье речь пойдет о вторых, которые сокращенно называются ДПТ. Электродвигатели постоянного тока окружают нас каждый день. Ими оснащаются электроинструменты, работающие от батареек или аккумуляторов, электротранспорт, некоторые промышленные станки и многое другое.

Устройство и принцип работы

ДПТ по своему строению напоминает синхронный электродвигатель переменного тока, разница между ними только в типе потребляемого тока. Двигатель состоит из неподвижной части – статора или индуктора, подвижной части – якоря и щеточноколлекторного узла. Индуктор может быть выполненным в виде постоянного магнита, если двигатель маломощный, но чаще он снабжается обмоткой возбуждения, имеющей два или больше полюса. Якорь состоит из набора проводников (обмоток), закрепленных в пазах. В простейшей модели ДПТ использовались только один магнит и рамка, по которой проходил ток. Такую конструкцию можно рассматривать только в качестве упрощенного примера, тогда как современная конструкция – это усовершенствованный вариант, имеющий более сложное устройство и развивающий необходимую мощность.

Принцип работы ДПТ основан на законе Ампера: если в магнитное поле поместить заряженную проволочную рамку, она начнет вращаться. Ток, проходя по ней, образует вокруг себя собственное магнитное поле, которое при контакте с внешним магнитным полем начнет вращать рамку. В случае с одной рамкой вращение будет продолжаться, пока она не займет нейтральное положение параллельно внешнему магнитному полю. Чтобы привести систему в движение, нужно добавить еще одну рамку. В современных ДПТ рамки заменены якорем с набором проводников. На проводники подается ток, заряжая их, в результате чего вокруг якоря возникает магнитное поле, которое начинает взаимодействовать с магнитным полем обмотки возбуждения. В результате этого взаимодействия якорь поворачивается на определенный угол. Далее ток поступает на следующие проводники и т.д.
Для попеременной зарядки проводников якоря используются специальные щетки, выполненные из графита или сплава меди с графитом. Они играют роль контактов, которые замыкают электрическую цепь на выводы пары проводников. Все выводы изолированы между собой и объединены в коллекторный узел – кольцо из нескольких ламелей, находящееся на оси вала якоря. Во время работы двигателя щетки-контакты поочередно замыкают ламели, что дает возможность двигателю вращаться равномерно. Чем больше проводников имеет якорь, тем более равномерно будет работать ДПТ.

Двигатели постоянного тока делятся на:
— электродвигатели с независимым возбуждением;
— электродвигатели с самовозбуждением (параллельные, последовательные или смешанные).
Схема ДПТ с независимым возбуждением предусматривает подключение обмотки возбуждения и якоря к разным источникам питания, так что между собой они не связаны электрически.
Параллельное возбуждение реализовывается путем параллельного подключения обмоток индуктора и якоря к одному источнику питания. Двигатели этих двух типов обладают жесткими рабочими характеристиками. У них частота вращения рабочего вала не зависит от нагрузки, и ее можно регулировать. Такие двигатели нашли применение в станках с переменной нагрузкой, где важно регулировать скорость вращения вала
При последовательном возбуждении якорь и обмотка возбуждения подключены последовательно, поэтому значение электрического тока у них одинаковое. Такие двигатели более «мягкие» в работе, имеют больший диапазон регулирования скоростей, но требуют постоянной нагрузки на вал, иначе скорость вращения может достичь критической отметки. У них высокое значение пускового моменты, что облегчает запуск, но при этом скорость вращения вала зависит от нагрузки. Применяются они на электротранспорте: в кранах, электропоездах и городских трамваях.
Смешанный тип, при котором одна обмотка возбуждения подключается к якорю параллельно, а вторая – последовательно, встречается редко.

Краткая история создания

Первопроходцем в истории создания электрических двигателей стал М.Фарадей. Создать полноценную рабочую модель он не смог, зато именно ему принадлежит открытие, которое сделало это возможным. В 1821 году он провел опыт с использованием заряженной проволоки, помещенной в ртуть в ванную с магнитом. При взаимодействии с магнитным полем металлический проводник начинал вращаться, превращаю энергию электрического тока в механическую работу. Ученые того времени работали над созданием машины, работа которой основывалась бы на этом эффекте. Они хотели получить двигатель, работающий по принципу поршневого, то есть, чтобы рабочий вал двигался возвратно-поступательно.
В 1834 году был создан первый электрический двигатель постоянного тока, который разработал и создал русский ученый Б.С.Якоби. Именно он предложил заменить возвратно-поступательное движение вала его вращением. В его модели два электромагнита взаимодействовали между собой, вращая вал. В 1839 году он же успешно испытал лодку, оснащенную ДПТ. Дальнейшая история этого силового агрегата, по сути – это совершенствование двигателя Якоби.

Особенности ДПТ

Как и другие виды электродвигателей, ДПТ отличается надежностью и экологичностью. В отличие от двигателей переменного тока у него можно регулировать скорость вращения вала в широком диапазоне, частоту, к тому же он отличается легким запуском.
Двигатель постоянного тока можно использовать как собственно двигатель и как генератор. Также у него можно менять направление вращения вала путем изменения направления тока в якоре (для всех типов) или в обмотке возбуждения (для двигателей с последовательным возбуждением).
Регулирование скорости вращение достигается путем подключения в цепь переменного сопротивления. При последовательном возбуждении оно находится в цепи якоря и дает возможность сокращать обороты в соотношениях 2:1 и 3:1. Такой вариант подходит для оборудования, которое имеет длительные периоды простоя, потому что во время работы происходит значительный нагрев реостата. Увеличение оборотов обеспечивается подключением реостата в цепь обмотки возбуждения.
Для двигателей с параллельным возбуждением также используются реостаты в цепи якоря для понижения оборотов в пределах 50% от номинальных значений. Установка сопротивления в цепи обмотки возбуждения позволяет увеличивать обороты до 4 раз.
Использование реостатов всегда связано со значительными потерями тепла, поэтому в современных моделях двигателей они заменены на электронные схемы, позволяющие управлять скоростью без значительных потерь энергии.
КПД двигателя постоянного тока зависит от его мощности. Маломощные модели отличаются низкой эффективностью с КПД порядка 40%, тогда как двигатели с мощностью 1000 кВт могут иметь КПД, достигающий 96%.

Достоинства и недостатки ДПТ

К основным достоинствам двигателей постоянного тока относятся:
— простота конструкции;
— легкость в управлении;
— возможность регулирования частоты вращения вала;
— легкий запуск (особенно у двигателей с последовательным возбуждением);
— возможность использования в качестве генераторов;
— компактные размеры.
Недостатки:
— имеют «слабое звено» — графитовые щетки, которые быстро изнашиваются, что ограничивает срок службы;
— высокая себестоимость;
— при подключении к сети требуют наличия выпрямителей тока.

Сфера применения

Широкое применение двигатели постоянного тока нашли в транспорте. Они устанавливаются в трамваях, электричках, электровозах, паровозах, теплоходах, самосвалах, кранах и т.д. кроме того, их используют в инструментах, компьютерах, игрушках и подвижных механизмах. Часто их можно встретить и на производственных станках, где требуется регулирование частоты вращения рабочего вала в широком диапазоне.

Двигатели постоянного тока в зависимости от способов их воз­буждения, как уже отмечалось, делятся на двигатели с независимым , параллельным (шунтовым), последовательным (сериесным) и смешанным (компаундным) возбуждением.

Двигатели независимого возбуждения , требуют два источника питания (рис.11.9,а). Один из них необходим для питания обмотки якоря (выводы Я1 и Я2 ), а другой - для создания тока в обмотке возбуждения (выводы обмотки Ш1 и Ш2 ). Дополнительное сопротивление Rд в цепи обмотки якоря необходимо для уменьшения пускового тока двигателя в момент его включения.

С независимым возбуждением выполняются в основном мощные электрические двигатели с целью более удобного и экономичного регулирования тока возбуждения. Сечение провода обмотки возбуждения определяется в зависимости от напряжения ее источника питания. Особенностью этих машин является независимость тока возбуждения, а соответственно и основного магнитного потока, от нагрузки на валу двигателя.

Двигатели с независимым возбуждением по своим характеристикам практически совпадают с двигателями параллельного возбуждения.

Двигатели параллельного возбуждения включаются в соответствии со схемой, показанной на рис.11.9,б. Зажимы Я1 и Я2 относятся к обмотке якоря, а зажимы Ш1 иШ2 - к обмотке возбуждения (к шунтовой обмотке). Переменные сопротивления Rд и Rв предназначены соответственно для изменения тока в обмотке якоря и в обмотке возбуждения. Обмотка возбуждения этого двигателя выполняется из большого количества витков медного провода сравнительно малого сечения и имеет значительное сопротивление. Это позволяет подключать ее на полное напряжение сети, указанное в паспортных данных.

Особенностью двигателей этого типа является то, что при их работе запрещается отсоединять обмотку возбуждения от якорной цепи . В противном случае при размыкании обмотки возбуждения в ней появится недопустимое значение ЭДС, которое может привести к выходу из строя двигателя и к поражению обслуживающего персонала. По той же причине нельзя размыкать обмотку возбуждения и при выключении двигателя, когда его вращение еще не прекратилось.

С увеличением частоты вращения добавочное (дополнительное) сопротивление Rд в цепи якоря следует уменьшать, а при достижении установившейся частоты вращения – вывести полностью.

Рис.11.9. Виды возбуждения машин постоянного тока,

а - независимого возбуждения, б - параллельного возбуждения,

в - последовательного возбуждения, г - смешанного возбуждения.

ОВШ - обмотка возбуждения шунтовая, ОВС - обмотка возбуждения сериесная," ОВН - обмотка независимого возбуждения, Rд -дополнительное сопротивление в цепи обмотки якоря, Rв- дополнительное сопротивление в цепи обмотки возбуждения.

Отсутствие дополнительного сопротивления в обмотке якоря в момент пуска двигателя может привести к появлению большого пускового тока, превышающего номинальный ток якоря в 10...40 раз .

Важным свойством двигателя параллельного возбуждения служит практически постоянная его частота вращения при изменении нагрузки на валу якоря. Так при изменении нагрузки от холостого хода до номинального значения частота вращения уменьшается всего лишь на (2.. 8)% .

Второй особенностью этих двигателей служит экономичное регулирование частоты вращения, при котором отношение наибольшей скорости к наименьшей может составлять 2:1 , а при специальном исполнении двигателя - 6:1 . Минимальная частота вращения ограничивается насыщением магнитной цепи, которое не позволяет уже увеличивать магнитный поток машины, а верхний предел частоты вращения определяется устойчивостью машины - при значительном ослаблении магнитного потока двигатель может пойти «вразнос» .

Двигатели последовательного возбуждения (сериесные) включаются по схеме, (рис.11.9, в). Выводы С1 и С2 соответствуют сериесной (последовательной) обмотке возбуждения. Она выполняется из сравнительно малого числа витков в основном медного провода большого сечения. Обмотка возбуждения соединяется последовательно с обмоткой якоря . Дополнительное сопротивление Rд в цепи обмоток якоря и возбуждения позволяет уменьшить пусковой ток и производить регулирование частоты вращения двигателя. В момент включения двигателя оно должно иметь такую величину, при которой пусковой ток будет составлять (1,5...2,5)Iн . После достижения двигателем установившейся частоты вращения дополнительное сопротивление Rд выводится, то есть устанавливается равным нулю.

Эти двигатели при пуске развивают большие пусковые моменты вращения и должны запускаться при нагрузке не менее 25% ее номинального значения. Включение двигателя при меньшей мощности на его валу и тем более в режиме холостого хода не допускается . В противном случае двигатель может развить недопустимо большие обороты, что вызовет выход его из строя . Двигатели этого типа широко применяются в транспортных и подъемных механизмах, в которых необходимо изменять частоту вращения в широких пределах.

Двигатели смешанного возбуждения (компаундные), занимают промежуточное положение между двигателями параллельного и последовательного возбуждения (рис.11.9, г). Большая принадлежность их к тому или другому виду зависит от соотношения частей основного потока возбуждения, создаваемых параллельной или последовательной обмотками возбуждения. В момент включения двигателя для уменьшения пускового тока в цепь обмотки якоря включается дополнительное сопротивление Rд . Этот двигатель обладает хорошими тяговыми характеристиками и может работать в режиме холостого хода.

Прямое (безреостатаное) включение двигателей постоянного тока всех видов возбуждения допускается мощностью не более одного киловатта.

Обозначение машин постоянного тока

В настоящее время наиболее широкое распространение получили машины постоянного тока общего назначения серии 2П и наиболее новой серии 4П. Кроме этих серий выпускаются двигатели для крановых, экскаваторных, металлургических и других приводов серии Д. Изготавливаются двигатели и специализированных серий .

Двигатели серий 2П и 4П подразделяются по оси вращения, как это принято для асинхронных двигателей переменного тока серии4А . Машины серии2П имеют 11 габаритов, отличающихся по высоте вращения оси от 90 до 315 мм. Диапазон мощностей машин этой серии составляет от 0,13 до 200 кВт для электрических двигателей и от 0,37 до 180 кВт для генераторов. Двигатели серий 2П и 4П рассчитываются на напряжение 110, 220, 340 и 440 В. Их номинальные частоты вращения составляют 750, 1000, 1500,2200 и 3000 об/мин.

Каждый из 11 габаритов машин серии 2П имеет станины двух длин (М и L ).

Электрические машины серии 4П имеют лучшие некоторые технико - экономические показатели по сравнению с серией 2П . трудоемкость изготовления серии 4П по сравнению с 2П снижена в 2,5...3 раза. При этом расход меди снижается на 25...30 %. По ряду конструктивных особенностей, в том числе по способу охлаждения, по защите от атмосферных воздействий, по использованию отдельных деталей и узлов машины серии 4П унифицированы с асинхронными двигателями серии 4А иАИ .

Обозначение машин постоянного тока (как генераторов, так и двигателей) представляется следующим образом:

ПХ1Х2ХЗХ4 ,

где 2П - серия машины постоянного тока;

XI - исполнение по типу защиты: Н - защищенное с само­вентиляцией, Ф - защищенное с независимой вентиля­цией, Б - закрытое с естественным охлаждением, О - закрытое с обдувом от постороннего вентилятора;

Х2 - высота оси вращения (двухзначное или трехзначное число) в мм;

ХЗ - условная длина статора: М - первая, L - вторая, Г - с тахогенератором;

В качестве примера можно привести обозначение двигателя 2ПН112МГУ - двигатель постоянного тока серии 2П , защищенного исполнения с самовентиляцией Н ,112 высота оси вращения в мм, первый размер статораМ , укомплектован тахогенератором Г , используется для умеренного климатаУ .

По мощностям электрические машины постоянного тока условно могут быть подразделены на следующие группы :

Микромашины ………………………...меньше 100 Вт,

Мелкие машины ………………………от 100 до 1000 Вт,

Машины малой мощности…………..от 1 до 10 кВт,

Машины средней мощности………..от 10 до 100 кВт,

Крупные машины……………………..от 100 до 1000 кВт,

Машины большой мощность……….более 1000 кВт.

По номинальным напряжениям электрические машины подразделяются условно следующим образом:

Низкого напряжения…………….меньше 100 В,

Среднего напряжения ………….от 100 до 1000 В,

Высокого напряжения……………выше 1000В.

По частоте вращения машины постоянного тока могут быть представлены как:

Тихоходные…………….менее 250 об/мин.,

Средней скорости………от 250 до 1000 об/мин.,

Быстроходные………….от 1000 до 3000 об/мин.

Сверхбыстроходные…..выше 3000 об/мин.

Задание и методика выполнения работы.

1.Изучить устройство и назначение отдельных частей электри­ческих машин постоянного тока.

2.Определить выводы машины постоянного тока, относящиеся к обмотке якоря и к обмотке возбуждения.

Выводы, соответствующие той или иной обмотке, могут быть определены мегомметром, омметром или с помощью электрической лампочки. При использовании мегомметра один его конец присоединяется к одному из выводов обмоток, а другим поочередно касаются к остальным. Измеренное сопротивление, равное нулю, укажет на соответствие двух выводов одной обмотки.

3.Распознать по выводам обмотку якоря и обмотку возбуждения. Определить вид обмотки возбуждения (параллельного возбуждения или последовательного).

Этот опыт можно осуществить с помощью электрической лампочки, подключаемой последовательно с обмотками Постоянное напряжение следует подавать плавно, постепенно повышая его до указанного номинального значения в паспорте машины.

С учетом малого сопротивления якорной обмотки и обмотки последовательного возбуждения лампочка загорится ярко, а их сопротивления, измеренные мегомметром (или омметром) будут практически равны нулю.

Лампочка, соединенная последовательно с параллельной обмоткой возбуждения, будет гореть тускло. Значение сопротивления параллельной обмоткой возбуждения должно находиться в пределах 0,3...0,5 кОм .

Выводы якорной обмотки можно распознать путем присоединения одного конца мегомметра к щеткам, касаясь при этом другим его концом к выводам обмоток на щитке электрической машины.

Выводы обмоток электрической машины следует обозначить на изображенной в отчете условной этикетке выводов.

Измерить сопротивления обмоток и сопротивление изоляции. Сопротивление обмоток можно измерить по схеме амперметра и вольтметра. Сопротивление изоляции между обмотками и обмотками относительно корпуса проверяется мегомметром, рассчитанным на напряжение 1 кВ. Сопротивление изоляции между обмоткой якоря и обмоткой возбуждения и между ними и корпусом должно быть не ниже 0,5 МОм . Данные замеров отобразить в отчете.

Изобразить условно в поперечном разрезе главные полюсы с обмоткой возбуждения и якорь с витками обмотки, находящимися под полюсами (подобно рис.11.10). Самостоятельно принять направление тока в обмотках возбуждения и якоря. Указать при этих условиях направление вращения двигателя.

Рис. 11.10. Двухполюсная машина постоянного тока:

1 - станина; 2 -якорь; 3 - главные полюсы; 4 - об­мотка возбуждения; 5 - полюсные наконечники; 6 - обмотка якоря; 7 - коллектор; Ф - основной магнитный поток; F - сила, действующая на проводники обмотки якоря.

Контрольные вопросы и задания для самостоятельной подготовки

1: Объяснить устройство и принцип действия двигателя и гене­ратора постоянного тока.

2. Пояснить назначение коллектора машин постоянного тока.

3.Дать понятие полюсного деления и привести выражение для его определения.

4.Назвать основные виды обмоток, применяемых в машинах постоянного тока, и знать способы их выполнения.

5.Указать основные достоинства двигателей параллельного воз­буждения.

6.Каковы конструктивные особенности обмотки параллельного возбуждения по сравнению с обмоткой последовательного возбуждения?

7.В чем особенность пуска двигателей постоянного тока после­довательного возбуждения?

8.Сколько параллельных ветвей имеют простая волновая и простая петлевая обмотки машин постоянного тока?

9.Как обозначаются машины постоянного тока? Привести пример обозначения.

10.Какой величины допускается сопротивление изоляции между обмотками машин постоянного тока и между обмотками и корпусом?

11.Какой величины может достигнуть ток в момент пуска двигателя при отсутствии дополнительного сопротивления в цепи обмотки якоря?

12.Какой величины допускается пусковой ток двигателя?

13.В каких случаях допускается пуск двигателя постоянного тока без дополнительного сопротивления в цепи обмотки якоря?

14.За счет чего можно изменить ЭДС генератора независимого возбуждения?

15.Каково назначение дополнительных полюсов машины постоянного тока?

16.При каких нагрузках допускается включение двигателя пос­ледовательного возбуждения?

17.Чем определяется величина основного магнитного пото­ка?

18.Написать выражения ЭДС генератора и момента вращения двигателя. Дать понятие входящих в них составляющих.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 12.

Двигатель с параллельным возбуждением является наилучшим среди двигателей постоянного тока для привода механизмов, требующих почти постоянной частоты вращения и в то же время экономичного регулирования скорости. Схема этого двигателя показана на рис. 4-25.

Рис. 4-25. Двигатель параллельного возбуждения.

Зажимы пускового реостата обозначаются: Л - присоединяемый к линии (питающей сети); М - к зажимам обмотки возбуждения и Я - к зажимам якоря. Черными кружками (рис. 4-25) обозначены рабочие контакты, а пропуски между ними соответствуют секциям сопротивлений реостата. Металлическая дуга 3 при работе двигателя постоянно соединяет зажим Л с зажимами шунтового реостата, регулирующего ток возбуждения Перед замыканием рубильника Необходимо убедиться, что рычаг (подвижный контакт) 1 пускового реостата 2 стоит на холостом контакте 0. Подвижный контакт шунтового реостата в цепи возбуждения должен находиться в крайнем левом положении, при котором сопротивление реостата минимально.

При замыкании рубильника и переводе рычага пускового реостата на первый из рабочих контактов ток двигателя разветвляется на ток якоря и ток обмотки возбуждения

Таким образом, ток в питающей цепи

Первый бросок тока в зависимости от величины пускового сопротивления Под действием начального вращающего момента якорь начинает вращаться и с нарастанием скорости ток якоря уменьшается. Тогда рычаг пускового реостата, может быть переведен на второй контакт. При этом ток якоря, увеличившись броском, вызовет увеличение вращающего момента и дальнейшее приращение скорости, а затем вновь начинает уменьшаться. Тогда рычаг реостата переводят на следующий контакт и т. д. Пуск заканчивается, когда все сопротивление выведено и на якорь подано полное напряжение Сопротивление пускового реостата обычно рассчитано на кратковременную работу пуска и оставлять рукоятку реостата на промежуточных контактах длительно нельзя.

Рис. 4-26. Скоростные характеристики двигателя параллельного возбуждения.

Чем быстрее нарастает противо-э. д. с. якоря, тем скорее, уменьшается ток и тем меньше нагрев обмотки якоря. Поэтому пуск производят всегда при наибольшем токе возбуждения, замыкая, накоротко сопротивление регулировочного реостата (рис. 4-25). Тогда магнитный поток машины Ф и противо-э. д. с. будут максимальны. Кроме того, электродвигатель при пуске должен развивать повышенный вращающий, момент, а это может быть также при наибольшем магнитном потоке формула (4-8)].

Перед отключением двигателя переводят рычаг пускового реостата на нулевой контакт, а затем размыкают рубильник. Этим исключается подгорание контактов рубильника.

Скоростная характеристика двигателя при показана на рис. 4-26 кривой 1. При отсутствии механической нагрузки ток холостого хода и скорости наибольшая:

При увеличении нагрузки (момента сопротивления) на валу двигателя частота вращения падает незначительно, так как автоматическое увеличение вращающего момента происходит за счет увеличения тока в цепи якоря который согласно уравнению (4-14а) резко возрастает при незначительном уменьшении противо-э. д. с. вследствие малой величины сопротивления цепи якоря Такая характеристика называется жесткой.

Рис. 4-27. Рабочце характеристики двигателя параллельного возбуждения.

При неизменном токе возбуждения магнитный поток Ф можно считать приблизительно постоянным, так как влияние реакции якоря незначительно.

Тогда вращающий момент двигателя

приблизительно пропорционален току Поэтому если отложить М по оси абсцисс на рис. 4-26, то получится механическая характеристика двигателя, т. е.

Очень удобны для пользования рабочие характеристики (рис. 4-27), даваемые в каталогах и описаниях электродвигателя. Это

при , где - к. п. д. двигателя, а - полезная мощность на валу.

Развиваемая на валу мощность двигателя

а вращающий момент

При неизменной частоте вращения зависимость была бы прямой линией, проходящей через начало координат. Однако скорость при увеличении падает и момент не пропорционален Ток при неизменном U пропорционален мощности в цепи питания Так как потери двигателя малы, то ток приблизительно пропорционален .

Регулирование скорости двигателя с параллельным возбуждением обычно производится изменением тока возбуждения. Этот способ дает экономичное плавное регулирование в пределах 1: 1,5, а в специальном исполнении - до 1:8. Регулирование происходит следующим образом. Вращающий момент двигателя при Ф = const пропорционален току а ток

Вследствие малой величины падение напряжения в цепи якоря невелико. Поэтому при постоянных значениях U и якоря может значительно возрасти при небольшом уменьшении противо-э. д. с.

Например, при и при токе якоря противо-э. д. с. . Если противо-э. д. с. уменьшится всего на 10 В (примерно на 5%) и будет , то ток якоря , т. е. увеличится в 3 раза.

Таким образом, если при некоторой постоянной нагрузке и частоте вращения уменьшить ток возбуждения например на 5%, то. на столько же сразу уменьшатся магнитный поток Ф и противо-э. д. с. Е. Это вызовет резкое увеличение тока якоря и вращающего момента, причем избыточный момент пойдет на ускорение вращения якоря. Однако по мере нарастания скорости якоря противо-э. д. с. снова увеличится, ток якоря уменьшится до величины, при которой вращающий момент примет прежнее значение. Таким образом, при равенстве установится новая постоянная частота вращения, большая прежней.

При таком способе регулирования потери энергии в регулировочном реостате (мощность потерь Гвгв) очень малы, так как составляет всего

Этот способ позволяет изменять частоту вращения двигателя в сторону ее увеличения выше номинальной.

Если при неизменной нагрузке на валу двигателя включить добавочное сопротивление гл последовательно с обмоткой якоря, то в первый момент ток якоря уменьшится, отчего уменьшится вращающий момент и, так как момент сопротивления окажется больше, скорость уменьшится. Однако вследствие уменьшения скорости и противо-э. д. с. ток якоря станет возрастать, будет возрастать вращающий момент и при равенстве моментов дальнейшее снижение скорости прекратится.

Двигатель будет продолжать работать с постоянной, но пониженной частотой вращения. Этот способ - регулирования неэкономичен вследствие значительных потерь энергии в сопротивлении реостата.

Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением – это электродвигатель, у которого обмотки якоря и возбуждения подключаются друг к другу параллельно. Часто по своей функциональности он превосходит агрегаты смешанного и последовательного типов в случаях, если необходимо задать постоянную скорость работы.

Характеристики двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

Формула общего тока, идущего от источника, выводится согласно первому закону Кирхгофа и имеет вид: I = I я + I в, где I я - ток якоря, I в – ток возбуждения, а I – ток, который двигатель потребляет от сети. Следует отметить, что при этом I в не зависит от I я, т.е. ток возбуждения не зависит от нагрузки. Величина тока в обмотке возбуждения меньше тока якоря и составляет примерно 2-5% от сетевого тока.

В целом, данные электродвигатели отличаются следующими весьма полезными тяговыми параметрами:

• Высокая экономичность (поскольку ток якоря не проходит через обмотку возбуждения).
• Устойчивость и непрерывность рабочего цикла при колебаниях нагрузки в широких пределах (т.к. величина момента сохраняется даже в случае изменения числа оборотов вала).

При недостаточном моменте пуск осуществляется посредством перехода на смешанный тип возбуждения.

Сферы применения двигателя

Поскольку частота вращения подобных двигателей остается почти постоянной даже при изменении нагрузки, а также может изменяться при помощи регулировочного реостата, они широко применяются в работе с:

• вентиляторами;
• насосами;
• шахтными подъемниками;
• подвесными электрическими дорогами;
• станками (токарными, металлорежущими, ткацкими, печатными, листоправильными и пр.).

Таким образом, этот вид двигателей в основном используется с механизмами, требующими постоянства скорости вращения или ее широкой регулировки.

Регулирование частоты вращения

Регулирование скорости – это целенаправленное изменение скорости электродвигателя в принудительном порядке при помощи специальных устройств или приспособлений. Оно позволяет обеспечить оптимальный режим работы механизма, его рациональное использование, а также уменьшить расход энергии.

Существует три основных способа регулирования скорости двигателя:

1. Изменение магнитного потока главных полюсов. Осуществляется при помощи регулировочного реостата: при увеличении его сопротивления магнитный поток главных полюсов и ток возбуждения I в уменьшаются. При этом увеличивается число оборотов якоря на холостом ходу, а также угол наклона механической характеристики. Жесткость механических характеристик сохраняется. Однако увеличение скорости может привести к механическим повреждениям агрегата и к ухудшению коммутации, поэтому не рекомендуется увеличивать частоту вращения этим методом более чем в два раза.
2. Изменение сопротивления цепи якоря. К якорю последовательно подключается регулировочный реостат. Скорость вращения якоря уменьшается при увеличении сопротивления реостата, а наклон механических характеристик увеличивается. Регулировка скорости вышеуказанным способом:

• способствует уменьшению частоты вращения относительно естественной характеристики;
• связана с большой величиной потерь в регулировочном реостате, следовательно, неэкономична.

1. Безреостатное изменение подаваемого на якорь напряжения. В этом случае необходимо наличие отдельного источника питания с регулируемым напряжением, например, генератора или управляемого вентиля.

Двигатель с независимым возбуждением

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения как раз и реализует третий принцип регулирования скорости. Его отличие в том, что обмотка возбуждения и магнитное поле главных полюсов подключаются к разным источникам. Ток возбуждения является неизменной характеристикой, а магнитное поле меняется. При этом изменяется число оборотов вала на холостом ходу, жесткость характеристики остается прежней.

Таким образом, принцип работы дпт с независимым возбуждением является достаточно сложным вследствие независимой работы двух источников, тем не менее, его главное преимущество – большая экономичность.

Лекция №9

Двигатели постоянного тока

По габаритам;

По способу защиты;

По мощности;

По скорости вращения;

Схемы возбуждения электродвигателей постоянного тока показаны на рисунке.

Рис. 9.1 Схемы возбуждения электродвигателей постоянного тока: а - независимое, б - параллельное, в - последовательное, г - смешанное

Основные формулы и уравнения

Если принять скорость вращения якоря в системе СИ (рад/с), то формула 4.13 из лекции №4 примет вид

М - электромагнитный момент машины постоянного тока, Н/м (ньютон делить на метр)

k - постоянная для данной машины величина;

Ф - основной маг­нитный поток, Вб (вебер)

р - число пар полюсов обмотки якоря

N - число пазовых сторон обмотки якоря

а - число пар параллельных ветвей обмотки якоря

I а или просто I - ток якоря, А;

Для двигателя, работающего с постоянной час­тотой вращения, можно получить уравнение на­пряжений (Э.Д.С.) для цепи якоря генератора:

Это уравнение получают на основании второго закона Кирхгофа

. (9.3)

Сумма сопротивлений всех участков цепи якоря:

Обмотки якоря r а или, r я

Обмотки добавочных полюсов r д,

Компенсационной обмотки r ко,

Последовательной обмотки возбуждения r с

Переходного щеточного контакта r щ.

При отсутствии в машине каких-либо из указан­ных обмоток в (9.4) не входят соответствующие слагаемые.

Из (9.3) следует, что подведенное к двигателю напряжение уравновешивается противо-ЭДС обмот­ки якоря и падением напряжения в цепи якоря.

На основании (9.3) получим формулу тока якоря

. (9.5)

Умножив обе части уравнения (9.3) на ток яко­ря I а, получим уравнение мощности для цепи якоря:

, (9.6)

, (9.7)

(9.8)

ω- угловая частота вращения якоря;

Электромаг­нитная мощность двигателя.

Следовательно, выражение представляет собой электромаг­нитную мощность двигателя.

Рабочие характеристики

Рабочие характеристики двигателя представлены на рис 9.2б

Частота вращения двигателя с ростом нагрузки Р 2 уменьшается, а график ω= f(Р 2) приобретает падающий вид . Чтобы обеспечить характеристике частоты вращения форму падающей кривой, в некоторых двигателях параллельного возбу­ждения применяют легкую (с небольшим числом витков) последо­вательную обмотку возбуждения, которую называют стаби­лизирующей обмоткой. При включении этой обмотки согласованно с параллельной обмоткой возбуждения ее МДС компенсирует размагничивающее действие реакции якоря так, что поток Ф во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменным.

Изменение частоты вращения двигателя при переходе от но­минальной нагрузки к х.х., выраженное в процентах, называют номинальным изменением частоты вращения:

, (9.12)

∆ω ном = 100

где 0 (n 0) - частота вращения двигателя в режиме х.х.

Обычно для двигателей параллельного возбуждения ∆ω ном =2-8%, поэтому характеристику частоты вращения двигателя па­раллельного возбуждения называют жесткой .

Зависимость полезного момента от нагрузки установлена формулой . При график имел бы вид прямой. Однако с увеличением нагрузки частота вращения двига­теля снижается, и поэтому зависимость криволинейна .

График зависимости М эл =f(Р 2) проходит параллельно кривой М 2 =f(Р 2) .

Пуск двигателя

Ток якоря двигателя определяется формулой

В начальный момент пуска якорь двигателя неподвижен и в его обмотке не индуцируется ЭДС Е а =0. Поэтому при непо­средственном подключении двигателя к сети в обмотке его якоря возникает пусковой ток

I п = (9.13)

Обычно сопротивление невелико, поэтому значение пус­кового тока достигает недопустимо больших значений, в 10-20 раз превышающих номинальный ток двигателя.

Такой большой пусковой ток весьма опасен для двигателя. Во-первых, он может вызвать в машине круговой огонь, а во-вторых, при таком токе в двигателе развивается чрезмерно большой пус­ковой момент, который оказывает ударное действие на вращаю­щиеся части двигателя и может механически их разрушить. И на­конец, этот ток вызывает резкое падение напряжения в сети, что неблагоприятно отражается на работе других потребителей, вклю­ченных в эту сеть. Поэтому пуск двигателя непосредственным подключением в сеть (безреостатный пуск) обычно применяют для двигателей мощностью не более 0,7-1,0 кВт. В этих двигате­лях благодаря повышенному сопротивлению обмотки якоря и не­большим вращающимся массам значение пускового тока лишь в 3-5 раз превышает номинальный, что не представляет опасности для двигателя.

Что же касается двигателей большей мощности, то при их пуске для ограничения пускового тока используют пуско­вые реостаты (ПР), включаемые последовательно в цепь якоря (реостатный пуск).

Перед пуском двигателя необходимо реостат ввести, т.е поставить наибольшее сопротивление. Затем включают рубиль­ник и постепенно уменьшают сопротивление реостата.

Рис. 9.4. Схема включения пускового реостата

Пусковой ток якоря при полном сопротивлении пускового реостата

. (9.14)

Сопротивление пус­кового реостата выбирают обычно таким, чтобы наибольший пус­ковой ток превышал номинальный не более чем в 2-3 раза.

Для пуска двигателей большей мощности применять пусковые реостаты нецелесообразно, так как это вызвало бы значительные потери энергии. Кроме того, пусковые реостаты были бы громозд­кими. Поэтому в двигателях большой мощности применяют без­реостатный пуск двигателя путем понижения напряжения.

Приме­рами этого являются пуск тяговых двигателей электровоза переключением их с последовательного соединения при пуске на параллельное при нормальной работе или пуск двига­теля в схеме «генератор-двигатель».

Реверсирование двигателей

Реверсирование двигателя - это изменение направления вращения якоря.

Реверсирование двигателя осуществляется либо изменением полярности напряжения на обмотке якоря, либо на обмотке возбуждения. В обоих случаях изменяется знак электромагнитного момента двигателя М эм и соответственно направление вращения якоря.

КПД машин постоянного тока

η = P 2 /P 1 , (9.20)

Р 2 - полезная мощность машины (у генератора - это электрическая мощность, отдаваемая приемнику, у двигателя - механическая мощность на валу);

Р 1 - подводимая к машине мощность (у генератора - это механическая мощность, сообщаемая ему первичным двигателем, у двигателя - мощность, потребляемая им от источника постоянного тока; если генератор имеет независимое возбуждение, то P 1 включает в себя также мощность, необходимую для питания цепи обмотки возбуждения).

Очевидно, мощность Р 1 может быть выражена следующим образом: Р 1 = Р 2 + ΣΔP,

где ΔP - сумма перечисленных выше потерь мощности.

С учетом последнею выражения

η = P 2 /(P 2 + ΣΔP). (9.21)

Когда машина работает вхолостую, полезная мощность Р 2 равна нулю и η = 0. Характер изменения КПД при увеличении полезной мощности зависит от значения и характера изменения потерь мощности. Примерный график зависимости η=f(Р 2) приведен на рис. 9.5.

При увеличении полезной мощности КПД сначала возрастает при некотором значении Р 2 , достигает наибольшего значения, а затем уменьшается. Последнее объясняется значительным увеличением переменных потерь, пропорциональных квадрату тока. Машины рассчитывают обычно таким образом, чтобы наибольшее значение КПД находилось в области, близкой к номинальной мощности Р 2ном. Номинальное значение КПД машин мощностью от 1 до 100 кВт лежит примерно в пределах от 0,74 до 0,92 соответственно.

Литература: Кацман М.М. Электрические машины. Глава 29.

§29.1, 29.2, 29.3, 29.4, 29.5, 29.6, 29.8, 29.10

Лекция №9

Двигатели постоянного тока

Способы возбуждения электродвигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока используются в промышленности в случае необходимости регулирования скорости ЭП (электропривода). В основном применяются системы УВ-Д (управляемый выпрямитель-двигатель), которые обеспечивают регулирование скорости с высоким качеством.

По способу возбуждения электрические двигатели постоянного тока делят на четыре группы:

1. С независимым возбуждением, у которых обмотка возбуждения НОВ питается от постороннего источника постоянного тока.

2. С параллельным возбуждением (шунтовые), у которых обмотка возбуждения ШОВ включается параллельно источнику питания обмотки якоря.

3. С последовательным возбуждением (сериесные), у которых обмотка возбуждения СОВ включена последовательно с якорной обмоткой.

4. Двигатели со смешанным возбуждением (компаундные), у которых имеется последовательная СОВ и параллельная ШОВ обмотки возбуждения.

Двигатели с независимым возбуждением и параллельным возбуждением обладают одинаковыми свойствами, поэтому эти группы объединяют и относят к одной группе: двигатели с независимым возбуждением предназначенные для работы в регулируемых ЭП.

Промышленность выпускает двигатели постоянного тока основной общепромышленной серии 2П и 4П, они подразделяются по следующим признакам:

По габаритам;

По способу защиты;

По мощности;

По скорости вращения;

По напряжению на якоре (110В, 220В, 340В, 440В);

На напряжению обмотке возбуждения (110 и 220 В);

Если напряжение на якоре и на обмотке возбуждения (ОВ) совпадают, то обмотка возбуждения подключается параллельно обмотке якоря.

Кроме серий 2П и 4П выпускаются и другие специализированные серии.