Avdeiko_Adamovich_Vershinin1

8. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электрические машины служат для преобразования механической энергии в электрическую (генераторы) и электрической – в механическую (электродвигатели).

8.1. Устройство машины постоянного тока

Основные конструктивные элементы машины постоянного тока показаны на рис. 8.1.

обмотка возбуждения главный полюс

обмотка якоря

щетка

якорь

статор

Рис. 8.1. Устройство машины постоянного тока

Электрическая машина состоит из двух частей: неподвижной – статора и вращающейся – якоря.

Статор представляет собой полый цилиндр, отлитый из чугуна, к внутренней поверхности которого крепятся главные полюсы. В большинстве случаев между главными полюсами крепятся дополнительные полюсы (на рис. 8.1 не показаны). На главные полюсы наматывается обмотка возбуждения, которая, как правило, состоит из двух половин, соединенных последовательно. Якорь представим также в виде полого цилиндра, на который наматывается непрерывная замкнутая обмотка. К обмотке якоря примыкают неподвижные щетки, которые делят обмотку на две параллельные ветви.

Щетки подключаются к электрической нагрузке, если электрическая машина работает в режиме генератора, или к щеткам подключают внешний источник питания, если машина работает в режиме двигателя.

142

Электродвижущая сила в машине постоянного тока (МПТ) образуется следующим образом. Включаем обмотку возбуждения в сеть постоянного тока. Ток в обмотке возбуждения создает постоянный магнитный поток, который проходит через главные полюсы, воздушный зазор и, раздваиваясь, замыкается по якорю и статору. Необходимо помнить, что магнитные силовые линии должны быть замкнутыми.

Если якорь вращать, например, по часовой стрелке, то согласно закону электромагнитной индукции во внешних частях витков обмотки якоря возникает ЭДС. Направление ЭДС определяется правилом правой руки. Ладонь располагается перпендикулярно к магнитным силовым линиям таким образом, чтобы они входили в ладонь, большой палец должен быть направлен в сторону движения проводника относительно поля, тогда четыре пальца правой руки покажут направление ЭДС.

Таким образом, в проводниках, расположенных под северным полюсом, ЭДС направлена от нас (обозначено крестиком), а под южным полюсом – к нам (обозначено точкой) (см. рис. 8.1). Так как все витки соединены последовательно и согласно, эти ЭДС складываются, а общая ЭДС между щетками будет равна сумме в одной параллельной ветви (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Образование ЭДС якоря во вращающейся машине постоянного тока

Такая конструкция якоря несовершенна, т.к. щетки скользят непосредственно по оголенной части обмотки якоря, а в тех частях обмотки, которые находятся под якорем, магнитного поля нет, и ЭДС в них не образуется.

В реальной машине щетки скользят не по обмотке, а по специальным медным пластинам – ламелям, которые образуют коллектор. При этом от

143

каждого витка или через несколько витков обмотки якоря делают отпайки к коллекторным пластинам, которые изолируются друг от друга.

Кроме того, обмотка якоря укладывается в пазы на внешней поверхности барабанного якоря. Если, например, прямой провод обмотки уложен в паз под северным полюсом, то обратный провод уложен в паз под южным полюсом. Таким образом, уменьшается длина неактивной части обмотки и повышается ЭДС обмотки якоря. В этом случае неактивными являются только лобовые (торце-

вые) части обмотки.

Условное графическое изо-

бражение электрических элементов

Рис. 8.3. Условное графическое изображение МПТ (обмотки якоря и обмотки

машины постоянного тока

возбуждения) показано на рис. 8.3. Обмотка якоря изображается в виде окружности с примыкающими к ней щетками, а обмотка возбуждения – как индуктивность – четырьмя полуокружностями.

8.2. ЭДС обмотки якоря и электромагнитный момент

Независимо от режима работы машины постоянного тока (генераторного или двигательного) при вращении якоря в обмотке образуется ЭДС. Известно, что в прямом проводнике длиной l, движущемся со скоростью v и находящемся в однородном магнитном поле с индукцией B, ориентированном перпендикулярно к проводнику, возникает ЭДС e = lBv . Следовательно, ЭДС обмотки якоря пропорциональна скорости вращения якоря и интенсивности магнитного поля:

геометрии машины, количества проводников и числа пар параллельных ветвей.

Если по проводнику длиной l, который находится в однородном магнитном поле с индукцией В, ориентированной перпендикулярно к этому току, проходит ток IЯ, то на этот ток действует сила f = lBI Я . На-

правление электромагнитной силы определяется правилом левой руки.

144

(Ладонь располагают перпендикулярно к вектору магнитной индукции. Четыре пальца показывают направление тока, а большой палец – направление силы).

Суммарное действие этих сил создает электромагнитный момент:

8.3.Режим генератора

Врежиме генератора якорь вращается первичным двигателем (ПД),

аобмотка возбуждения включена в сеть постоянного тока (рис. 8.4, а). При вращении якоря в обмотке создается ЭДС ЕЯ, которая питает электрическую нагрузку.

Рассмотрим физические процессы и некоторые количественные соотношения для одного проводника обмотки якоря и распространим эти выводы на всю машину.

Всоответствии с законом

На ток в магнитном поле действует сила f (закон Ампера). Направление этой силы определяется правилом левой руки. Суммарное действие этих сил создает электромагнитный момент МЭМ = кФI Я , который направ-

лен против вращения якоря. Это означает, что электромагнитный момент в генераторе является тормозным.

Если увеличить электрическую нагрузку (уменьшить внешнее сопротивление R), то с возрастанием тока увеличивается тормозной электро-

145

магнитный момент и для вращения генератора необходимо увеличить вращающий момент первичного двигателя.

На холостом ходу (внешнее сопротивление отключено) ток якоря равен нулю, следовательно, тормозной электромагнитный момент не возникает и первичный двигатель будет создавать небольшой вращающий момент, который должен преодолеть только механический момент трения.

Если левую и правую части уравнения (8.3) умножить на IЯ, то получим энергетическое уравнение

Электрическая мощность нагрузки равна механической мощности первичного двигателя за вычетом потери мощности в обмотке якоря.

Коэффициент полезного действия генератора

ηг = Рэл . Рмех

В зависимости от схемы включения обмотки возбуждения различают генераторы с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Возбуждения генератора:

а – независимое; б – параллельное; в – последовательное; г – смешанное

Режим работы генератора определяется следующими параметрами: напряжением на зажимах якоря U, током нагрузки I, током в цепи возбуждения Iв и скоростью вращения якоря ω.

Для анализа работы генератора в различных режимах снимают различные характеристики.

146

Характеристика холостого хода (рис. 8.6, а) E = f (Iв ) показывает,

как изменяется напряжение на зажимах генератора, когда нагрузка отключена (I = 0), при изменении тока возбуждения. Характеристика снимается при номинальной скорости вращения якоря и подобна кривой намагничивания. Номинальная ЭДС выбирается обычно в режиме, близком к насыщению.

Рис. 8.6. Характеристики генератора:

а – характеристика холостого хода; б – семейство внешних характеристик

Внешняя характеристика (см. рис. 8.6, б) U = f (I ) (снимается при

Iв = const и ω = const ) показывает, как изменяется напряжение на зажимах генератора в зависимости от электрической нагрузки:

U = EЯ − RЯ I .

При уменьшении тока возбуждения уменьшается ЭДС ( ЕЯ = кФω и

Ф≡ Iв ), но наклон характеристик не изменяется.

8.4.Режим двигателя

Врежиме двигателя и обмотка якоря, и обмотка возбуждения включены в сеть постоянного тока (обычно в одну сеть) (рис. 8.7, a). При этом машина развивает вращающий момент, под действием которого вал якоря будет вращаться со скоростью ω. На валу якоря располагается рабочая машина (PM), создающая тормозной момент. В установившемся режиме вращающий момент, развиваемый двигателем, должен уравновесить момент сопротивления.

На рис. 8.7, б показан один проводник обмотки якоря сопротивлением RЯ, который включен на напряжение сети U. При этом создается ток IЯ,

147

на который в магнитном поле действует сила f (закон Ампера). Эта сила создают электромагнитный момент, который вращает РМ, создающую момент сопротивления. В проводниках обмотки якоря, вращающегося с угловой скоростью ω, возникает ЭДС,

направленная навстречу току.

По второму закону Кирхгофа

EЯ = U − RЯ I Я

или

Напряжение источника должно уравновесить ЭДС якоря и падение напряжения в обмотке якоря.

Ток в обмотке якоря определяется не только напряжением сети, но а и противоЭДС обмотки якоря, величина которой составляет около 90 % от напряжения сети в номинальном

режиме.

уменьшению противоЭДС (см. формулу (8.1)) и, как следствие, – к возрастанию тока якоря (см. формулу (8.4)). При этом электромагнитный момент МЭМ возрастает (см. формулу (8.2)). Увеличение электромагнитного момента будет происходить до тех пор, пока МЭМ не станет равным моменту сопротивления МС.

Свойство электродвигателя автоматически поддерживать равенство между вращающим моментом и моментом сопротивления рабочей машины называется саморегулированием.

8.5. Механические характеристики электродвигателя

На рис. 8.8, а показана схема включения электродвигателя. В цепи обмотки якоря и обмотки возбуждения включены регулировочные сопротивления Rр и Rв. Электродвигатель приводит во вращение рабочую

148

машину PM со скоростью ω, развивая электромагнитный момент, равный и противоположно направленный моменту сопротивления рабочей машины.

При вращении в обмотке якоря возникает противоЭДС. В соответствии со вторым законам Кирхгофа

Зависимость (8.6) ω = f(IЯ) называется электромеханической характеристикой, а зависимость (8.7) ω = φ(МЭМ) – механической характеристикой

(рис. 8.8, б).

Рис. 8.8. Схема включения двигателя (а) и его электромеханическая и механическая характеристики (б)

Эти характеристики можно построить в одних осях, т.к. ток якоря при неизменном магнитном потоке пропорционален электромагнитному моменту.

Механическая характеристика представляет собой прямую линию, которую можно построить по двум точкам.

При МЭМ = 0 (режим холостого хода) скорость холостого хода ω0 = U/кФ максимальна, с увеличением электромагнитного момента она уменьшает-

149

ся. Момент, при котором скорость равна нулю, называется пусковым. Номинальный момент на порядок меньше пускового.

Кажется странным, что с увеличением вращающего момента скорость двигателя не возрастает, а уменьшается. Но механическая характеристика снимается в установившемся режиме, при котором скорость вращения двигателя постоянна. В этом режиме электромагнитный момент устанавливается равным моменту сопротивления рабочей машины. То есть электромагнитный момент не является независимым параметром. Он устанавливается в зависимости от механической нагрузки (МЭК = МС).

Поэтому зависимость ω = φ(МЭМ) надо понимать так: механическая

характеристика двигателя показывает, как изменяется скорость вращения двигателя при изменении нагрузки на его валу.

Это будет иметь место при EЯ = U. Иначе говоря, при отсутствии механической нагрузки двигатель будет разгоняться до скорости ω0, при которой ЭДС обмотки якоря сравняется с напряжением сети.

Чем больше будет механическая нагрузка, тем большим должен быть электромагнитный момент МЭМ = кФIЯ, тем больший ток должен потреблять электродвигатель.

Увеличение тока происходит за счет уменьшения противоЭДС, которая пропорциональна скорости вращения.

Следовательно, при увеличении нагрузки, чтобы развивать больший электромагнитный момент, двигатель вынужден потреблять больший ток из сети ценой уменьшения скорости вращения.

8.6.Регулирование скорости вращения двигателя

Всоответствии с формулой (8.7) скорость вращения двигателя при заданном моменте сопротивления на валу можно регулировать тремя способами: изменением сопротивления в цепи якоря (RР = υαr), изменением магнитного потока (Ф(IВ) = υαr) и изменением напряжения питания

(U = υαr).

Первый способ (RР = υαr)

При изменении сопротивления в цепи якоря скорость холостого хода ω0 = U/кФ остается неизменной, а наклон механической характеристики увеличивается с увеличением сопротивления (рис. 8.9).

150