Полная механическая характеристика двигателя постоянного тока позволяет правильно определиться с основными свойствами электродвигателя, а также проконтролировать их соответствие всем требованиям, предъявляемым на сегодняшний день к машинам или устройствам технологического типа.

Особенности конструкции

Представлены вращающимися нагнетательными элементами, которые размещаются на поверхности статически закрепленной станины. Устройства подобного типа получили широкое применение и эксплуатируются при необходимости обеспечивать разнообразие скоростного регулирования в условиях стабильности вращательных движений привода.

С конструктивной точки зрения все виды ДПТ представлены:

• роторной или якорной частью в виде большого количества катушечных элементов, покрытых специальной токопроводящей обмоткой;
• статичным индуктором в виде стандартной станины, дополненной несколькими магнитными полюсами;
• функциональным щеточным коллектором цилиндрической формы, располагающимся на валу и имеющим медную пластинчатую изоляцию;
• статично зафиксированными контактными щетками, используемыми с целью подведения достаточного количества электротока на роторную часть.

Как правило, электрические двигатели ПТ оснащаются специальными щетками графитового и медно-графитного типа. Вращательные движения вала провоцируют замыкание и размыкание контактной группы, а также способствуют искрению.

Определенное количество механической энергии поступает от роторной части к другим элементам, что обусловлено наличием передачи ременного типа.

Принцип функционирования

Синхронные устройства обращенного функционала характеризуются сменой выполнения задач статором и ротором. Первый элемент служит для возбуждения магнитного поля, а второй в этом случае преобразует достаточное количество энергии.

Якорное вращение в условиях магнитного поля наводится при помощи ЭДС, а движение направлено в соответствии с правилом правой руки. Поворот на 180 о сопровождается стандартной сменой движения ЭДС.

Принцип действия двигателя постоянного тока

Коллекторы посредством щеточного механизма соединяются с двумя витковыми сторонами, что провоцирует удаление пульсирующего напряжения и вызывает образование постоянных токовых величин, а снижение якорной пульсации осуществляется добавочными витками.

Механическая характеристика

На сегодняшний день эксплуатируются электромоторы ПТ нескольких категорий, имеющие различные виды возбуждения:

• независимого типа, при котором обмоточное питание определяется независимым источником энергии;
• последовательного типа, при котором подключение якорной обмотки выполняется в последовательном направлении с обмоточным элементом возбуждения;
• параллельного типа, при котором роторная обмотка подключается в электрической цепи в параллельном для источника питания направлении;
• смешанного типа, основанном на наличии нескольких последовательных и параллельных обмоточных элементов.

Механическая характеристика двигателя постоянного тока независимого возбуждения ДПТ

Механические моторные характеристики подразделяются на показатели естественного и искусственного вида. Неоспоримые преимущества ДПТ представлены повышенными показателями производительности и увеличенным КПД.

Благодаря особым механическим характеристикам устройства с постоянными токовыми величинами способны легко переносить негативные внешние воздействия, что объясняется закрытым корпусом с уплотнительными элементами, абсолютно исключающими попадание влаги внутрь конструкции.

Модели независимого возбуждения

Моторы ПТ НВ обладают обмоточным возбуждением, подключаемым к отдельному виду источника для электрического питания. В таком случае обмоточная цепь возбуждения ДПТ НВ дополняется реостатом регулировочного типа, а якорная цепь снабжается добавочными или пусковыми реостатными элементами.

Отличительной особенностью такого вида мотора является независимость токового возбуждения от якорного тока, что обуславливается независимым питанием обмоточного возбуждения.

Характеристики электродвигателей с независимым и параллельным возбуждением

Линейная механическая характеристика при независимом типе возбуждения:

• ω - показатели вращательной частоты;
• U - показатели напряжения на эксплуатируемой якорной цепи;
• Ф - параметры магнитного потока;
• R я и R д - уровень якорного и добавочного сопротивления;
• Α - константа конструкции движка.

Данным типом уравнения определяется зависимость вращательной скорости мотора к моменту вала.

Модели последовательного возбуждения

ДПТ с ПТВ представляют собой устройство электрического типа с постоянными токовыми величинами, имеющими обмотку возбуждения, последовательно подключенную к якорной обмотке. Данный тип движков характеризуется справедливостью следующего равенства: током, протекающим в обмотке якоря, равным током обмоточного возбуждения, или I=I в =I я.

Механические характеристики при последовательном и смешанном возбуждении

При использовании последовательного типа возбуждения:

• n 0 - показатели частоты вращения вала в условиях холостого хода;
• Δ n - показатели изменения частоты вращения в условиях механической нагрузки.

Смещение механических характеристик вдоль оси ординат позволяет им оставаться в полностью параллельном расположении друг другу, благодаря чему регулирование вращательной частоты при изменении данного напряжения U, подведенного к якорной цепи, становится максимально благоприятным.

Модели смешанного возбуждения

Для смешанного возбуждения свойственно расположение между параметрами устройств параллельного и последовательного возбуждения, чем легко обеспечивается значительность пускового момента и полностью исключается любая возможность «разноса» движкового механизма в условиях холостого хода.

В условиях смешанного типа возбуждения:

Двигатель смешанного возбуждения

Регулировка частоты моторного вращения при наличии возбуждения смешанного типа осуществляется по аналогии с двигателями, имеющими параллельное возбуждение, а варьирование МДС-обмоток способствует получению практически любой промежуточной механической характеристики.

Уравнение механической характеристики

Наиболее важные механические характеристики ДПТ представлены естественными и искусственными критериями, при этом первый вариант сравним с номинальным напряжением питания в условиях полного отсутствия добавочного сопротивления на обмоточных цепях мотора. Несоответствие любому из заданных условий позволяет рассматривать характеристику в качестве искусственной.

ω = U я / k Ф - (R я + R д)/(k Ф)

Это же уравнение может быть представлено в форме ω = ω о.ид. - Δ ω, где:

• ω о.ид. = U я /k Ф
• ω о.ид - показатели угловой скорости холостого идеального хода
• Δ ω = Мэм. [(R я +R д)/(k Ф)2]- снижение показателей угловой скорости под воздействием нагрузки на вал мотора при пропорциональном сопротивлении цепи якоря

Характеристики уравнения механического типа представлены стандартной устойчивостью, жесткостью и линейностью.

Заключение

Согласно применяемым механическим характеристикам любые ДПТ отличаются конструктивной простотой, доступностью и возможностью осуществлять регулировку частоты валового вращения, а также легкостью пуска ДПВ. Кроме прочего, такие устройства могут применяться в качестве генератора и обладают компактными габаритами, что хорошо нивелирует недостатки в виде быстро изнашиваемых графитовых щеток, высокой себестоимости и необходимости обязательно подключать токовые выпрямители.

Видео на тему

Двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением имеют меньшее распространение по сравнению с другими двигателями. Они используются в установках с нагрузкой, не допускающей режима холостого хода. Позже будет показано, что работа двигателя последовательного возбуждения в режиме холостого хода может привести к разрушению двигателя. Схема подключения двигателя показана на рис. 3.8.

Ток якоря двигателя одновременно является и током возбужде­ния, так как обмотка возбуждения ОВ включена последовательно
с якорем. Сопротивление обмотки возбуждения достаточно мало, так как при больших токах якоря намагничивающая сила, достаточная для создания номинального магнитного потока и номинальной индукции в зазоре, достигается малым количеством витков провода большого сечения. Катушки возбуждения располагаются на главных полюсах машины. Последовательно с якорем может быть включен дополнительный реостат , который может использоваться для ограничения пускового тока двигателя.

Скоростная характеристика

Естественная скоростная характеристика двигателей последовательного возбуждения выражается зависимостью при
U = U н = const. При отсутствии дополнительного реостата
в цепи якоря двигателя сопротивление цепи определяется суммой сопротивления якоря и обмотки возбуждения , которые достаточно малы. Скоростная характеристика описывается таким же уравнением, каким описывается скоростная характеристика двигателя с независимым возбуждением

Отличие заключается в том, что магнитный поток машины Ф создается током якоря I в соответствии с кривой намагничивания магнитной цепи машины. Для упрощения анализа предположим, что магнитный поток машины пропорционален току обмотки возбуждения, то есть току якоря . Тогда , где k – коэффициент пропорциональности.

Заменив магнитный поток в уравнении скоростной характеристики, получим уравнение:

.

График скоростной характеристики представлен на рис. 3.9.

Из полученной характеристики следует, что в режиме холостого хода, т. е. при токах якоря, близких нулю, частота вращения якоря в несколько раз превышает номинальное значение, а при стремлении тока якоря к нулю частота вращения стремится к бесконечности (ток якоря в первом слагаемом полученного выражения входит в знаменатель). Если считать формулу справедливой для весьма больших токов якоря, то можно сделать предположение, что . Полученное уравнение позволяет получить значение силы тока I , при котором частота вращения якоря будет равняться нулю. У реальных двигателей последовательного возбуждения при определенных значениях тока магнитопровод машины входит в насыщение, и магнитный поток машины изменяется незначительно при значительных изменениях тока.

Характеристика показывает, что изменение тока якоря двигателя в области малых значений приводит к значительным изменениям частоты вращения.

Характеристика механического момента

Рассмотрим характеристику момента двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. , при U = U н = const.

Как уже показано, . Если магнитная цепь машины не насыщена, магнитный поток пропорционален току якоря ,
а электромагнитный момент М будет пропорционален квадрату тока якоря .

Полученная формула с математической точки зрения представляет собой параболу (кривая 1 на рис. 3.10). Реальная характеристика проходит ниже теоретической (кривая 2 на рис. 3.10), так как из-за насыщения магнитной цепи машины магнитный поток не пропорционален току обмотки возбуждения или току якоря в рассматриваемом случае.

Характеристика момента двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением представлена на рисунке 3.10.

КПД двигателя последовательного возбуждения

Формула, определяющая зависимость КПД двигателя от тока якоря, для всех двигателей постоянного тока одинакова и не зависит от способа возбуждения. У двигателей последовательного возбуждения при изменении тока якоря механические потери и потери в стали машины практически не зависят от тока I я. Потери же в обмотке возбуждения и в цепи якоря пропорциональны квадрату тока якоря. КПД достигает максимального значения (рис. 3.11) при таких значениях тока, когда сумма потерь в стали и механических потерь равна сумме потерь в обмотке возбуждения и цепи якоря.

При номинальном токе КПД двигателя несколько меньше максимального значения.

Механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения

Естественная механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения, т. е. зависимость частоты вращения от механического момента на валу двигателя , рассматривается при постоянном напряжении питания, равном номинальному напряжению U = U н = const. Если магнитная цепь машины не насыщена, как уже утверждалось, магнитный поток пропорционален току якоря, т. е. , и механический момент пропорционален квадрату тока . Ток якоря в этом случае равен

а частота вращения

Или .

Подставив вместо тока его выражение через механический момент, получаем

.

Обозначим и ,

получаем .

Полученное уравнение представляет собой гиперболу, пересекающую ось моментов в точке .

Так как или .

Пусковой момент таких двигателей в десятки раз больше номинального момента двигателя.

Рис. 3.12

Общий вид механической характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения представлен на рис. 3.12.

В режиме холостого хода частота вращения стремится к бесконечности. Это следует из аналитического выражения механической характеристики при М → 0.

У реальных двигателей последовательного возбуждения час­тота вращения якоря в режиме холостого хода может в несколько раз превышать номинальную частоту вращения. Такое превышение опасно и может привести к разрушению машины. По этой причине двигатели последовательного возбуждения эксплуатируются в ус­ловиях постоянной механической нагрузки, не допускающей режима холостого хода. Такой тип механической характеристики относят к мягким механическим характеристикам, т. е. к таким механическим характеристикам, которые предполагают значительное изменение скорости вращения при изменении момента на валу двигателя.

3.4.3. Характеристики двигателей постоянного тока
смешанного возбуждения

Схема подключения двигателя смешанного возбуждения представлена на рис. 3.13.

Д

Последовательная обмотка возбуждения ОВ2 может быть включенной так, что ее магнитный поток может совпадать по направлению с магнитным потоком параллельной обмотки ОВ1 или не совпадать. Если намагничивающие силы обмоток совпадают по направлению, то суммарный магнитный поток машины будет равен сумме магнитных потоков отдельных обмоток. Частота вращения якоря n может быть получена из выражения

.

В полученном уравнении и – магнитные потоки параллельной и последовательной обмоток возбуждения.

В зависимости от соотношения магнитных потоков и скоростная характеристика представляется кривой, которая занимает промежуточное положение между характеристикой того же двигателя при параллельной схеме возбуждения и характеристикой двигателя с последовательным возбуждением (рис. 3.14). Характеристика моментов займет также промежуточное положение между характеристиками двигателя последовательного и параллельного возбуждения.

В общем случае, с увеличением момента частота вращения якоря уменьшается. При определенном количестве витков последовательной обмотки можно получить очень жесткую механическую характеристику, когда частота вращения якоря практически не будет изменяться при изменении механического момента на валу.

Если магнитные потоки обмоток не совпадают по направлению (при встречном включении обмоток), то зависимость частоты вращения якоря двигателя от потоков опишется уравнением

.

При увеличении нагрузки ток якоря будет увеличиваться. При увеличении тока магнитный поток будет расти, а частота вращения n уменьшаться. Таким образом, механическая характеристика двигателей смешанного возбуждения с согласным включением обмоток является очень мягкой (см. рис. 3.14).

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.

В рассматриваемых двигателях обмотка возбуждения выполняется с малым числом витков, но рассчитана на большие токи. Все особенности этих двигателей связаны с тем, что обмотка возбуждения включается (см. рис. 5.2,в) последовательно с обмоткой якоря, в результате чего ток возбуждения равен току якоря и создаваемый поток Ф пропорционален току якоря:

где а =/(/ я) - нелинейный коэффициент (рис. 5.12).

Нелинейность а связана с формой кривой намагничивания двигателя и размагничивающим действием реакции якоря. Эти факторы проявляются при / я > , / ян (/ ян - номинальный ток якоря). При меньших токах а можно считать величиной постоянной, а при / я > 2/ я н двигатель насыщается и поток мало зависит от тока якоря.

Рис. 5.12.

Основные уравнения двигателя последовательного возбуждения в отличие от уравнений двигателей независимого возбуждения нелинейны, что связано, в первую очередь, с произведением переменных:

При изменении тока в якорной цепи изменяется магнитный поток Ф, наводя в массивных частях магнитопровода машины вихревые токи. Влияние вихревых токов может быть учтено в модели двигателя в виде эквивалентного короткозамкнутого контура, описываемого уравнением

а уравнение для цепи якоря имеет вид:

где w B , w B т - число витков обмотки возбуждения и эквивалентное число витков вихревых токов.

В установившемся режиме

Из (5.22) и (5.26) получим выражения для механической и электромеханической характеристик двигателя постоянного тока последовательного возбуждения:

В первом приближении механическую характеристику двигателя последовательного возбуждения, без учета насыщения магнитной цепи, можно представить в виде гиперболы, не пересекающей ось ординат. Если положить Л я ц = /? я + /? в = 0, то характеристика не будет пересекать и ось абсцисс. Такую характеристику называют идеальной. Реальная естественная характеристика двигателя пересекает ось абсцисс и вследствие насыщения магнитопровода при моментах больше М н спрямляется (рис. 5.13).

Рис. 5.13.

Характерной особенностью характеристик двигателя последовательного возбуждения является отсутствие точки идеального холостого хода. При уменьшении нагрузки скорость возрастает, что может привести к неконтролируемому разгону двигателя. Оставлять такой двигатель без нагрузки нельзя.

Важным достоинством двигателей последовательного возбуждения является большая перегрузочная способность на низких скоростях. При перегрузке по току в 2-2,5 раза двигатель развивает момент 3,0...3,5М н. Это обстоятельство определило широкое использование двигателей последовательного возбуждения в качестве привода электрических транспортных средств, для которых максимальные моменты необходимы при трогании с места.

Изменение направления вращения двигателей последовательного возбуждения не может быть достигнуто изменением полярности питания цепи якоря. В двигателях последовательного возбуждения при реверсировании нужно изменять направление тока в одной части якорной цепи: либо в обмотке якоря, либо в обмотке возбуждения (рис. 5.14).

Рис. 5.14.

Искусственные механические характеристики для регулирования скорости и момента могут быть получены тремя способами:

• введением добавочного сопротивления в цепь якоря двигателя;
• изменением питающего двигатель напряжения;
• шунтированием обмотки якоря добавочным сопротивлением. При введении добавочного сопротивления в цепь якоря жесткость механических характеристик уменьшается и уменьшается пусковой момент. Этот способ используют при пуске двигателей последовательного возбуждения, получающих питание от источников с нерегулируемым напряжением (от контактных проводов и др.) В этом случае (рис. 5.15) необходимое значение пускового момента достигается последовательным закорачиванием секций пускового резистора посредством контакторов К1-КЗ.

Рис. 5.15. Реостатные механические характеристики двигателя последовательного возбуждения: /? 1до -R iao -сопротивления ступеней добавочного резистора в цепи якоря

Наиболее экономичным способом регулирования скорости двигателя последовательного возбуждения является изменение питающего напряжения. Механические характеристики двигателя смещаются вниз параллельно естественной характеристике (рис. 5.16). По форме эти характеристики подобны реостатным механическим характеристикам (см. рис. 5.15), однако, существует принципиальная разница - при регулировании изменением напряжения отсутствуют потери в добавочных резисторах и регулирование производится плавно.

Рис. 5.1

Двигатели последовательного возбуждения при использовании в качестве привода мобильных агрегатов во многих случаях получают питание от контактной сети или других источников питания с постоянным значением напряжения, подаваемого на двигатель, в этом случае регулирование производится посредством широтно-импульсного регулятора напряжения (см. § 3.4). Такая схема показана на рис. 5.17.

Рис. 5.17.

Независимое регулирование потока возбуждения двигателя последовательного возбуждения возможно, если зашунтировать обмотку якоря сопротивлением (рис. 5.18,а). В этом случае ток возбуждения в = я + / ш, т.е. содержит постоянную составляющую, не зависящую от нагрузки двигателя. При этом двигатель приобретает свойства двигателя смешанного возбуждения. Механические характеристики (рис. 5.18,6) приобретают большую жесткость и пересекают ось ординат, что позволяет получить устойчивую пониженную скорость при малых нагрузках на валу двигателя. Существенный недостаток схемы - это большие потери энергии в шунтирующем сопротивлении.

Рис. 5.18.

Для двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением характерны два тормозных режима: динамического торможения и противовключения.

Режим динамического торможения возможен в двух случаях. В первом - якорная обмотка замыкается на сопротивление, а обмотка возбуждения питается от сети или другого источника через добавочное сопротивление. Характеристики двигателя в этом случае подобны характеристикам двигателя независимого возбуждения в режиме динамического торможения, (см. рис. 5.9).

Во втором случае, схема которого показана на рис. 5.19, двигатель при отключении контактов КМ и замыкании контактов КВ работает как генератор с самовозбуждением. При переходе из двигательного режима в тормозной необходимо сохранить направление тока в обмотке возбуждения во избежание размагничивания машины, так как при этом машина переходит в режим самовозбуждения. Механические характеристики такого режима представлены на рис. 5.20. Существует граничная скорость со ф, ниже которой самовозбуждение машины не происходит.

Рис.5.19.

Рис. 5.20.

В режиме противовключения в цепь якоря включают добавочное сопротивление. На рис. 5.21 приведены механические характеристики двигателя для двух вариантов противовключения. Характеристика 1 получается, если при работе двигателя в направлении «вперед» В (точка с) изменить направление тока в обмотке возбуждения и ввести в цепь якоря добавочное сопротивление. Двигатель переходит в режим противовключения (точка а) с тормозным моментом М торм.

Рис.5.21.

Если привод работает в режиме спуска груза, когда задача привода подтормаживать механизм подъема при работе в направлении «назад» Н, то двигатель включают в направлении «вперед» В, но с большим добавочным сопротивлением в цепи якоря. Работе привода соответствует точка b на механической характеристике 2. Работа в режиме противовключения сопряжена с большими потерями энергии.

Динамические характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения описывает система уравнений, вытекающих из (5.22), (5.23), (5.25) при переходе к операторной форме записи:

В структурной схеме (рис. 5.22) коэффициент а = Д/ я) отражает кривую насыщения машины (см. рис. 5.12). Влиянием вихревых токов пренебрегаем.

Рис. 5.22.

Определить передаточные функции двигателя последовательного возбуждения аналитическим путем достаточно сложно, поэтому анализ переходных процессов производят методом компьютерного моделирования на основе схемы, приведенной на рис. 5.22.

Двигатели постоянного тока смешанного возбуждения имеют две обмотки возбуждения: независимую и последовательную. Вследствие этого их статические и динамические характеристики сочетают характерные свойства двух рассматриваемых ранее видов двигателей постоянного тока. К какому из видов больше принадлежит тот или иной двигатель смешанного возбуждения зависит от соотношения намагничивающих сил, создаваемых каждой из обмоток: в/ п.в = в / п.в я> где в’ п. в - число витков обмотки независимого и последовательного возбуждения.

Исходные уравнения двигателя смешанного возбуждения:

где / в, R B , w b - ток, сопротивление и число витков обмотки независимого возбуждения; L m - взаимная индуктивность обмоток возбуждения.

Уравнения установившегося режима:

Откуда уравнение электромеханической характеристики можно записать в виде:

В большинстве случаев обмотка последовательного возбуждения выполняется на 30...40% МД С, тогда скорость идеального холостого хода превышает номинальную скорость двигателя примерно в 1,5 раза.

Электрические двигатели, приводящиеся в движение путем воздействия постоянного тока, применяются значительно реже, по сравнению с двигателями, работающими от переменного тока. В бытовых условиях электродвигатели постоянного тока используются в детских игрушках, с питанием от обычных батареек с постоянным током. На производстве электродвигатели постоянного тока приводят в действие различные агрегаты и оборудование. Питание для них подводится от мощных батарей аккумуляторов.

Устройство и принцип работы

Электродвигатели постоянного тока по конструкции подобны синхронным двигателям переменного тока, с разницей в типе тока. В простых демонстрационных моделях двигателя применяли один магнит и рамку с проходящим по ней током. Такое устройство рассматривалось в качестве простого примера. Современные двигатели являются совершенными сложными устройствами, способными развивать большую мощность.

Главной обмоткой двигателя служит якорь, на который подается питание через коллектор и щеточный механизм. Он совершает вращательное движение в магнитном поле, образованном полюсами статора (корпуса двигателя). Якорь изготавливается из нескольких обмоток, уложенных в его пазах, и закрепленных там специальным эпоксидным составом.

Статор может состоять из обмоток возбуждения или из постоянных магнитов. В маломощных двигателях используют постоянные магниты, а в двигателях с повышенной мощностью статор снабжен обмотками возбуждения. Статор с торцов закрыт крышками со встроенными в них подшипниками, служащими для вращения вала якоря. На одном конце этого вала закреплен охлаждающий вентилятор, который создает напор воздуха и прогоняет его по внутренней части двигателя во время работы.

Принцип действия такого двигателя основывается на законе Ампера. При размещении проволочной рамки в магнитном поле, она будет вращаться. Проходящий по ней ток создает вокруг себя магнитное поле, взаимодействующее с внешним магнитным полем, что приводит к вращению рамки. В современной конструкции мотора роль рамки играет якорь с обмотками. На них подается ток, в результате вокруг якоря создается , которое приводит его во вращательное движение.

Для поочередной подачи тока на обмотки якоря применяются специальные щетки из сплава графита и меди.

Выводы обмоток якоря объединены в один узел, называемый коллектором, выполненным в виде кольца из ламелей, закрепленных на валу якоря. При вращении вала щетки по очереди подают питание на обмотки якоря через ламели коллектора. В результате вал двигателя вращается с равномерной скоростью. Чем больше обмоток имеет якорь, тем равномернее будет работать двигатель.

Щеточный узел является наиболее уязвимым механизмом в конструкции двигателя. Во время работы медно-графитовые щетки притираются к коллектору, повторяя его форму, и с постоянным усилием прижимаются к нему. В процессе эксплуатации щетки изнашиваются, а токопроводящая пыль, являющаяся продуктом этого износа, оседает на деталях двигателя. Эту пыль необходимо периодически удалять. Обычно удаление пыли выполняют воздухом под большим давлением.

Щетки требуют периодического их перемещения в пазах и продувки воздухом, так как от накопившейся пыли они могут застрять в направляющих пазах. Это приведет к зависанию щеток над коллектором и нарушению работы двигателя. Щетки периодически требуют замены из-за их износа. В месте контакта коллектора со щетками также происходит износ коллектора. Поэтому при износе якорь снимают и на токарном станке протачивают коллектор. После проточки коллектора изоляция, находящаяся между ламелями коллектора стачивается на небольшую глубину, чтобы она не разрушала щетки, так как ее прочность значительно превышает прочность щеток.

Виды

Электродвигатели постоянного тока разделяют по характеру возбуждения:

Независимое возбуждение

При таком характере возбуждения обмотка подключается к внешнему источнику питания. При этом параметры двигателя аналогичны двигателю на постоянных магнитах. Обороты вращения настраиваются сопротивлением обмоток якоря. Скорость регулируют специальным регулировочным реостатом, включенным в цепь обмоток возбуждения. При значительном снижении сопротивления или при обрыве цепи ток якоря повышается до опасных величин.

Электродвигатели с независимым возбуждением запрещается запускать без нагрузки или с небольшой нагрузкой, так как его скорость резко возрастет, и двигатель выйдет из строя.

Параллельное возбуждение

Обмотки возбуждения и ротора соединяются параллельно с одним источником тока. При такой схеме ток обмотки возбуждения значительно ниже тока ротора. Параметры двигателей становятся слишком жесткими, их можно применять для привода вентиляторов и станков.

Регулировка оборотов двигателя обеспечивается реостатом в последовательной цепи с обмотками возбуждения или в цепи ротора.

Последовательное возбуждение

В этом случае возбуждающая обмотка подключается последовательно с якорем, в результате чего по этим обмоткам проходит одинаковый ток. Обороты вращения такого мотора зависят от его нагрузки. Двигатель нельзя запускать на холостом ходу без нагрузки. Однако такой двигатель обладает приличными пусковыми параметрами, поэтому подобная схема используется в работе тяжелого электротранспорта.

Смешанное возбуждение

Такая схема предусматривает применение двух обмоток возбуждения, находящихся парами на каждом полюсе двигателя. Эти обмотки можно соединять двумя способами: с суммированием потоков, либо с их вычитанием. В итоге электродвигатель может обладать такими же характеристиками, как у двигателей с параллельным или последовательным возбуждением.

Чтобы заставить двигатель вращаться в другую сторону, на одной из обмоток изменяют полярность. Для управления скоростью вращения мотора и его запуском используют ступенчатое переключение разных резисторов.

Особенности эксплуатации

Электродвигатели постоянного тока отличаются экологичностью и надежностью. Их главным отличием от двигателей переменного тока является возможность регулировки оборотов вращения в большом диапазоне.

Такие электродвигатели постоянного тока можно также применять в качестве генератора. Изменив направление тока в обмотке возбуждения или в якоре, можно изменять направление вращения двигателя. Регулировка оборотов вала двигателя осуществляется с помощью переменного резистора. В двигателях с последовательной схемой возбуждения это сопротивление расположено в цепи якоря и позволяет уменьшить скорость вращения в 2-3 раза.

Этот вариант подходит для механизмов с длительным временем простоя, так как при работе реостат сильно нагревается. Повышение оборотов создается путем включения в цепь возбуждающей обмотки реостата.

Для моторов с параллельной схемой возбуждения в цепи якоря также применяются реостаты для уменьшения оборотов в два раза. Если в цепь обмотки возбуждения подключить сопротивление, то это позволит повышать обороты до 4 раз.

Применение реостата связано с выделением тепла. Поэтому в современных конструкциях двигателей реостаты заменяют электронными элементами, управляющими скоростью без сильного нагревания.

На коэффициент полезного действия мотора, работающего на постоянном токе, влияет его мощность. Слабые электродвигатели постоянного тока обладают малой эффективностью, и их КПД около 40%, в то время, как электродвигатели мощностью 1 МВт могут обладать коэффициентом полезного действия до 96%.

Преимущества электродвигателей постоянного тока

• Небольшие габаритные размеры.
• Легкое управление.
• Простая конструкция.
• Возможность применения в качестве генераторов тока.
• Быстрый запуск, особенно характерный для моторов с последовательной схемой возбуждения.
• Возможность плавной регулировки скорости вращения вала.

Недостатки

• Для подключения и эксплуатации необходимо приобретать специальный блок питания постоянного тока.
• Высокая стоимость.
• Наличие расходных элементов в виде медно-графитных быстроизнашивающихся щеток, изнашивающегося коллектора, что значительно снижает срок эксплуатации, и требует периодического технического обслуживания.

Сфера использования

Широко популярными двигатели постоянного тока стали в электрическом транспорте. Такие двигатели обычно входят в конструкции:

• Электромобилей.
• Электровозов.
• Трамваев.
• Электричек.
• Троллейбусов.
• Подъемно-транспортных механизмов.
• Детских игрушек.
• Промышленного оборудования с необходимостью управлением скорости вращения в большом диапазоне.