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.
Обмотка возбуждения подключается к независимому источнику. Характеристики двигателя получаются такие же, как у двигателя с постоянными магнитами. Скорость вращения регулируется сопротивлением в цепи якоря. Регулируют ее и реостатом (регулировочным сопротивлением) в цепи обмотки возбуждения, но при чрезмерном уменьшении его величины или при обрыве ток якоря возрастает до опасных значений. Двигатели с независимым возбуждением нельзя запускать на холостом ходу или с малой нагрузкой на валу. Скорость вращения резко увеличится, и двигатель будет поврежден.
Схема независимого возбуждения
Остальные схемы называют схемами с самовозбуждением.
Параллельное возбуждение
Обмотки ротора и возбуждения подключаются параллельно к одному источнику питания. При таком включении ток через обмотку возбуждения в несколько раз меньше, чем через ротор. Характеристики электродвигателей получаются жесткими, позволяющие использовать их для привода станков, вентиляторов.
Регулировка скорости вращения обеспечивается включением реостатов в цепь ротора или последовательно с обмоткой возбуждения.
Схема параллельного возбуждения
Последовательное возбуждение
Обмотка возбуждения включается последовательно с якорной, по ним течет один и тот же ток. Скорость такого двигателя зависит от его нагрузки, его нельзя включать на холостом ходу. Но он обладает хорошими пусковыми характеристиками, поэтому схема с последовательным возбуждением применяется на электрифицированном транспорте.
Схема последовательного возбуждения
Смешанное возбуждение
При этой схеме используются две обмотки возбуждения, расположенные попарно на каждом из полюсов электродвигателя. Их можно подключить так, чтобы потоки их либо складывались, либо вычитались. В результате двигатель может иметь характеристики как у схемы последовательного или параллельного возбуждения.
Схема смешанного возбуждения
Для изменения направления вращения изменяют полярность одной из обмоток возбуждения. Для управления пуском электродвигателя и скоростью его вращения применяют ступенчатое переключение сопротивлений
33. Характеристика дпт с независимым возбуждением.
Двигатель постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) В этом двигателе (рисунок 1) обмотка возбуждения подключена к отдельному источнику питания. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат r рег, а в цепь якоря - добавочный (пусковой) реостат R п. Характерная особенность ДПТ НВ - его ток возбуждения I в не зависит от тока якоря I я так как питание обмотки возбуждения независимое.
Схема двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ)
Рисунок
1
Механическая характеристика двигателя постоянного тока независимого возбуждения (дпт нв)
Уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения имеет вид
где: n 0 - частота вращения вала двигателя при холостом ходе. Δn - изменение частоты вращения двигателя под действием механической нагрузки.
Из этого уравнения следует, что механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) прямолинейны и пересекают ось ординат в точке холостого хода n 0 (рис 13.13 а), при этом изменение частоты вращения двигателя Δn , обусловленное изменением его механической нагрузки, пропорционально сопротивлению цепи якоря R а =∑R + R доб. Поэтому при наименьшем сопротивлении цепи якоря R а = ∑R, когда R доб = 0 , соответствует наименьший перепад частоты вращения Δn . При этом механическая характеристика становится жесткой (график 1).
Механические характеристики двигателя, полученные при номинальных значениях напряжения на обмотках якоря и возбуждения и при отсутствии добавочных сопротивлений в цепи якоря, называют естественными (график 7).
Если же хотя бы один из перечисленных параметров двигателя изменен (напряжение на обмотках якоря или возбуждения отличаются от номинальных значений, или же изменено сопротивление в цепи якоря введением R доб ), то механические характеристики называют искусственными .
Искусственные механические характеристики, полученные введением в цепь якоря добавочного сопротивления R доб, называют также реостатными (графики 7, 2 и 3).
При оценке регулировочных свойств двигателей постоянного тока наибольшее значение имеют механические характеристики n = f(M) . При неизменном моменте нагрузки на валу двигателя с увеличением сопротивления резистора R доб частота вращения уменьшается. Сопротивления резистора R доб для получения искусственной механической характеристики, соответствующей требуемой частоте вращения n при заданной нагрузке (обычно номинальной) для двигателей независимого возбуждения:
где U - напряжение питания цепи якоря двигателя, В; I я - ток якоря, соответствующий заданной нагрузке двигателя, А; n - требуемая частота вращения, об/мин; n 0 - частота вращения холостого хода, об/мин.
Частота вращения холостого хода n 0 представляет собой пограничную частоту вращения, при превышении которой двигатель переходит в генераторный режим. Эта частота вращения превышает номинальную n ном на столько, на сколько номинальное напряжение U ном подводимое к цепи якоря, превышает ЭДС якоря Е я ном при номинальной нагрузки двигателя.
На форму механических характеристик двигателя влияет величина основного магнитного потока возбуждения Ф . При уменьшении Ф (при возрастании сопротивления резистора r peг) увеличивается частота вращения холостого хода двигателя n 0 и перепад частоты вращения Δn. Это приводит к значительному изменению жесткости механической характеристики двигателя (рис. 13.13, б). Если же изменять напряжение на обмотке якоря U (при неизменных R доб и R рег), то меняется n 0 , a Δn остается неизменным [см. (13.10)]. В итоге механические характеристики смещаются вдоль оси ординат, оставаясь параллельными друг другу (рис. 13.13, в). Это создает наиболее благоприятные условия при регулировании частоты вращения двигателей путем изменения напряжения U , подводимого к цепи якоря. Такой метод регулирования частоты вращения получил наибольшее распространение еще и благодаря разработке и широкому применению регулируемых тиристорных преобразователей напряжения.
32. Механические характеристики ЭД постоянного тока
Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения: Уравнение механической характеристики имеет вид:
,
где ω - частота вращения, рад/с; Rob -
сопротивление обмотки последовательного
возбуждения, Ом; α- коэффициент линейной
зависимости (в первом приближении)
магнитного потока от тока якоря.
Из рассмотрения рис. следует, что механические характеристики рассматриваемого двигателя (естественная и реостатные) являются мягкими и имеют гиперболический характер. При малых нагрузках частота вращения и резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет в «разнос»). Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода или при небольшой нагрузке (различные станки, транспортеры и пр.). Обычно минимально допустимая нагрузка составляет (0,2 -- 0,25) IН0М; только двигатели малой мощности (десятки ватт) используют для работы в устройствах, где возможен холостой ход. Чтобы предотвратить возможность работы двигателя без нагрузки, его соединяют с приводным механизмом жестко (зубчатой передачей или глухой муфтой); применение ременной передачи или фрикционной муфты для включения недопустимо.
Несмотря на указанный недостаток, двигатели с последовательным возбуждением широко применяют в различных электрических приводах, особенно там, где имеется изменение нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска (грузоподъемные и поворотные механизмы, тяговый привод и пр.). Это объясняется тем, что мягкая характеристика рассматриваемого двигателя более благоприятна для указанных условий работы, чем жесткая характеристика двигателя с параллельным возбуждением.
Двигатель постоянного тока независимого возбуждения: Характерной особенностью двигателя является то, что его ток возбуждения не зависит от тока якоря (тока нагрузки), так как питание обмотки возбуждения по существу независимое. Следовательно, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно приближенно считать, что и поток двигателя не зависит от нагрузки. Следовательно, механическая характеристика будет линейной.
Уравнение
механической характеристики имеет
вид:
где
ω - частота вращения, рад/с; U - напряжение,
приложенное к цепи якоря, В; Ф - магнитный
поток, Вб; Rя, Rд - сопротивление якоря
и добавочное в его цепи, Ом: α-
конструктивная постоянная двигателя.
где
р - число пар полюсов двигателя; N -
число активных проводников якоря
двигателя; α - число параллельных ветвей
обмотки якоря. Вращающий момент двигателя,
Н*м.
-
ЭДС двигателя постоянного тока, В. При
постоянном магнитном потоке Ф = const,
полагая с=к Ф,
Тогда
выражение для вращающего момента, Н*м:
1. Механическая характеристика е, полученная для условий Rд = О, Rв = 0, т.е. напряжение на якоре и магнитный поток двигателя равны номинальным значениям, называется естественной (рис. 17.6).
2, Если Rд > О (Rв = 0), получаются искусственные - реостатные характеристики 1 и 2, проходящие через точку ω0 -скорость идеального холостого хода машины. Чем больше Яд, тем характеристики круче.3, Если изменять напряжение на зажимах якоря посредством преобразователя при условии, что Rд = 0 и Rв = 0, то искусственные механические характеристики имеют вид 3 и 4и проходят параллельно естественной и тем ниже, чем меньше величина напряжения.
4, При номинальном напряжении на якоре (Rд = 0) и уменьшении магнитного потока (Rв > 0) характеристики имеют вид5 и проходят тем выше естественной и круче ее, чем меньше магнитный поток.
Двигатель постоянного тока смешанного возбуждения: Характеристики этих двигателей являются промежуточными между характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения.
При согласном включении последовательной и параллельной обмоток возбуждения двигатель смешанного возбуждения имеет больший пусковой момент, по сравнению с двигателем параллельного возбуждения. При встречном включении обмоток возбуждения двигатель приобретает жесткую механическую характеристику. С увеличением нагрузки магнитный поток последовательной обмотки увеличивается и, вычитаясь из потока параллельной обмотки, уменьшает общий поток возбуждения. При этом скорость вращения двигателя не только не уменьшается, а может даже увеличиваться (рис.6.19). И в том, и в другом случае наличие магнитного потока параллельной обмотки исключает режим "разноса" двигателя при снятии нагрузки.
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