Характеристики генераторов постоянного тока. Двигатель постоянного тока.

 

Электрические машины постоянного тока (двигатели и генераторы) находят широкое применение в различных областях техники. Основное достоинство двигателей постоянного тока заключается в возможности плавного регулирования частоты вращения и получения больших пусковых моментов, что очень важно для тяговых двигателей на электрическом транспорте, а также для привода различного технологического оборудования.

Электрические машины постоянного тока малой мощности применяются в системах автоматического регулирования, как для привода исполнительных механизмов, так и качестве датчиков частоты вращения подвижных частей регулируемой системы.

Генераторы постоянного тока входят в состав электропитания специального оборудования, например радиотехнических устройствах и т.д.

Общим недостатком электрических машин постоянного тока является сложность конструкции и необходимость предварительного преобразования для них электрической энергии цепи переменного тока в электрическую энергию цепи постоянного тока.

Генератор превращает механическую энергию в электрическую. Индуцированная ЭДС преодолевает падение напряжения в обмотке якоря и сопротивления нагрузки, т.е.

 

Где - суммарное сопротивление цепи якоря. Это основное уравнение генератора.

Двигатель превращает электрическую энергию в механическую. ЭДС якоря противодействует внешнему напряжению, которое преодолевает в этом случае и падение напряжения в обмотке якоря. Таким образом, основное уравнение двигателя имеет вид:

 

Устройство и принцип действия. Два неподвижных полюса N и S создают магнитный поток. В пространстве между полюсами помещается стальной сердечник в виде цилиндра (рис.1).

 

На наружной поверхности цилиндра помещен виток медной проволоки abcd, изолированный от сердечника. Концы его присоединены к двум кольцам, на которые наложены щетки 1 и 2. К щеткам подключена нагрузка z_н.

Если вращать сердечник с частотой n в указанном на рисунке направлении, то виток abcd, вращаясь, будет пересекать магнитные силовые линии, на концах его будет наводиться ЭДС. И если к витку подключена нагрузка z_н, то потечет и ток. Направление тока определится правилом "правой руки". Из рисунка видно, что направление тока будет от точек b к а и от d к с. Соответственно во внешней цепи ток течет от щетки 1 к щетке 2. Щетку 1, от которой отводится ток во внешнюю цепь, обозначим (+), а щетку 2, через которую ток возвращается в машину обозначим (-). При повороте витка на 180° проводники аb и cd меняются местами, изменяется знак потенциала на щетках 1 и 2 и изменится на обратное направление ток во внешней цепи.

Таким образом, во внешней цепи течет переменный синусоидальный ток (рис.2).

 

 

Чтобы выпрямить переменный ток, необходимо в машине применить коллектор (рис.3).

 

 

 

В простейшем случае это два полукольца и к ним припаиваются концы витков abcd. Полукольца изолирования друг от друга и от вала. При вращении в витке abcd в нем попрежнему возникает переменная ЭДС, но под каждой щеткой будет ЭДС только одного знака: верхняя щетка будет иметь всегда (+), а нижняя - всегда (-).

 

Кривая тока во внешней цепи будет иметь другую форму (рис.4).

 

 

Из графика видно, что нижняя полуволна заменена верхней. Если применить не один виток, а два и присоединить их концы к коллекторным пластинам, которых теперь 4, то кривая выпрямленного тока будет иной.

При наличии нескольких витков кривая выпрямленного напряжения будет более сглаженной (рис.5).

 

 

 

Машина постоянного тока конструктивно состоит из неподвижной части - статора и вращающейся - ротора. Статор имеет станину, на внутренней поверхности которой крепятся магнитные полюсы с обмотками (рис.6).

 

 

Ротор машины чаще называется якорем. Он состоит из вала, цилиндрического сердечника, обмотки и коллектора (рис. 7).

 

 

Магнитные полюсы и сердечник якоря набираются из отдельных листов электротехнической стали. Листы покрываются изолированной бумагой или лаком для уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи. Коллектор набирают из медных пластин, имеющих сложную форму (рис.8). Пластины друг от друга изолированы специальной теплостойкой прокладкой. Такая же изоляция имеется между коллектором и валом двигателя. Набор коллекторных пластин образует, цилиндр-коллектор.

 

 

К внешней поверхности коллектора прилегают токосъемные щетки, которые выполнены из спрессованного медного и угольного порошка.

Щетка помещается в металлическую обойму и прижимается к коллектору пружинами (рис.9).

 

 

 

 

Способы возбуждения машин постоянного тока. Возбуждение - это понятие, связанное с созданием основного магнитного поля машины. В машинах с электромагнитным возбуждением основное поле создается обмотками возбуждения. Имеются конструкции, в которых возбуждение создается постоянными магнитами, размещенными на статоре.

Различают четыре схемы включения статорных обмоток: с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением (рис.10).

 

 

Изображения под пунктами б, в, г на рис. 7.2.1, называются схемами с самовозбуждением. Процесс самовозбуждения происходит за счет остаточной намагниченности полюсов и станины. При вращении якоря в этом, небольшом по величине, магнитном поле (ФОСТ = 0,02 0,03 ФО) индуцируется ЭДС - ЕОСТ.Рис.10. Схемы возбуждения машин постоянного тока.
Поскольку обмотка возбуждения подключена через щетки к якорю, то в ней будет протекать ток. Этот ток усилит магнитное поле полюсов и приведет к увеличению ЭДС якоря. Большая ЭДС вновь увеличит ток возбуждения и произойдет нарастание магнитного потока до полного намагничивания машины.

Характеристики генераторов постоянного тока. Свойства и особенности работы генераторов изучают по их характеристикам – графическим зависимостям, которые определяют экспериментально или вычисляют теоретически. Генераторы изучают по трём основным характеристикам. Внешняя характеристика генератора – это зависимость напряжения на зажимах якоря от тока нагрузки, когда ток возбуждения остаётся неизменным, т. е.  

Регулировочная характеристика – это зависимость тока возбуждения от тока якоря, когда на нагрузке сохраняется постоянное напряжение, т. е.

 

 

Характеристика холостого (нерабочего) хода – это зависимость ЭДС якоря от тока возбуждения, когда отключена цепь нагрузки, т. е.

 

Двигатель постоянного тока. В соответствии с принципом обратимости машина постоянного тока может работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя. Уравнение ЭДС для двигателя составлено на основании 2-го закона Кирхгофа с учетом направления ЭДС:

 

откуда

 

Ток в цепи якоря:

 

В соответствии о формулой Е_а = С_е Ф _n частота вращения определяется выражением:

 

 

Подставим значение Е из уравнения U = Е - I_Я R_Я, получим:

 

 

т.е. частота вращения двигателя прямо пропорциональна подведенному напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку возбуждения.

Из этой формулы видно, что возможны пути регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока:
1. Изменением напряжения сети U. Регулируя подаваемое напряжение U_сети можно менять частоту вращения.
2. Включением в цепь якоря добавочного сопротивлению (R'_Я = R_Я + R_ДОБ). Изменяя сопротивление R_ДОБ, меняют частоту вращения.

3. Изменением магнитного потока Ф. Машины с постоянными магнитами не регулируются. Машины с

электромагнитами позволяют регулировать поток Ф путем изменения тока возбуждения I_B.
На рис.1. показана схема включения в сеть двигателя постоянного тока.

 

 

По закону электромагнитной индукции при прохождении тока по обмотке якоря происходит взаимодействие ее проводников с магнитным полем полюсов. На каждый проводник обмотки будет действовать электромагнитная сила Р_эм = В_СРLI, пропорциональная магнитной индукции полюсов В, длине проводника L и току I, протекающему по проводнику.

Направление действия этой силы определяется правилом правой руки.
Не повторяя рассуждений, проведенных для генератора постоянного тока, запишем выражение для вращающего момента:

M=C_MФ I_Я

 

где C_M - коэффициент пропорциональности.

Вращающий момент у двигателей с независимым и параллельным возбуждением с увеличением нагрузки может как расти, так и уменьшаться, поскольку с ростом потребляемого тока I и размагничивания полюсов, уменьшается магнитный поток Ф.

Двигатели с последовательным возбуждением имеют отличные от вышеприведенных двигателей характеристики.

Из схемы, приведенной на рис.1 в, видно, что магнитный поток в машине создается обмоткой возбуждения, включенной последовательно с обмоткой якоря. Следовательно, I_B = I_Я и выражение для вращающего момента будет иметь вид:

Последняя формула показывает, что чем больше нагрузка на двигатель, тем большим будет вращающий момент. Это обстоятельство делает двигатель с последовательным возбуждением незаменимым на электротранспорте (трамвае, троллейбусе и т.д.).
Реверсирование или изменение направления вращения двигателей постоянного тока может осуществляться изменением полярности тока либо в обмотке якоря, либо в обмотке возбуждения

 

Основная литература: [2(377-412),3(342-365), 4(332-362)]

Дополнительная литература: [6 (258-275)]

 

 

Контрольные вопросы:

1.Объясните устройство машины постоянного тока. [2(377-379)]

2. Объясните принцип работы машины постоянного тока в качестве генератора и двигателя. [4(336

339),4(359-360)]

3. Напишите уравнения электрического состояния для генератора и двигателя. [4(359), 4(350)]

4. Перечислите основные характеристики генераторов и назовите условия, при которых их получают.

[4(351)]

5. Назовите преимущества электродвигателей постоянного тока различных способов возбуждения.      

[4(359-376)]

 

 

Тестовые задания к Лекции 15:

1. Какая из частей машины постоянного тока не может быть изготовлена из указанных материалов?

a) главный полюс - сталь; 

b) обмотка возбуждения - медь, алюминий

c) дополнительный полюс – сталь, чугун;  

d) якорь – электротехническая сталь;